La facciata di Santa Susanna, definita come il primo esempio pienamente realizzato di architettura barocca, costituisce un momento di straordinaria qualità nel passaggio complesso dal tardo Manierismo romano all'inizio del Seicento. Infatti, alcune intuizioni sembrano anticipare le ricerche barocche sul tema della visione e del rapporto con il contesto urbano.

L'elemento che più colpisce l'osservatore è il tema del graduale avanzare verso l'esterno della facciata nella sua parte centrale, una sorta di anticipazione del tema della facciata sinusoidale borrominiana, ottenuta qui attraverso passaggi non concavo-convessi, ma attraverso scatti successivi degli elementi strutturali, tesi a rafforzare l'asse centrale del tempio.

L'interno della chiesa è a navata unica con una cappella laterale in prossimità della balaustra del presbiterio. Le pareti sono state completamente affrescate con Storie della vita di Santa Susanna di Baldassarre Croce nel 1595. Il soffitto, invece, è a cassettoni dorati e reca al centro un'immagine della Madonna sormontata dallo stemma Rusticucci. Il presbiterio è diviso dalla navata tramite una balaustra marmorea. In fondo ad esso, l'abside semicircolare, più piccola rispetto alla navata, con l'affresco Gloria di Santa Susanna nel catino, opera di Cesare Nebbia. L'altare maggiore, invece, accoglie la pala Martirio di Santa Susanna, opera del palermitano Tommaso Laureti.

La cappella Peretti, a sinistra, è stata progettata da Marsilio Fontana di Melide, fratello del più celebre Domenico Fontana; nel 1597 vi trovò la morte durante i lavori. In essa vari dipinti, fra cui Il Martirio di San Lorenzo di Cesare Nebbia e il Battesimo di San Genesio di Baldassarre Croce.

Dietro l'abside della chiesa, separato da questa da una grata in ferro, è situato il coro delle monache, fatto realizzare nel 1596 dal cardinale Girolamo Rusticucci, titolare della chiesa tra il 1570 e il 1597. Il coro, rettangolare, fu fatto costruire da papa Paolo V, con un soffitto in legno a cassettoni. Gli affreschi alle pareti sono attribuiti a Francesco Mezzetti (1676-1706).

Nella sacrestia delle Monache cistercensi sono conservati gli affreschi del VII secolo riferibili alla primitiva chiesa paleocristiana e ritrovati durante gli scavi archeologici eseguiti negli anni 90 del secolo scorso. Sotto la chiesa e sotto il monastero delle monache cistercensi sono stati rinvenuti mosaici e affreschi di ville romane del periodo imperiale.