La chiesa ha la tipica struttura della basilica, con una navata centrale e due laterali, divise da pilastri ottagonali, che sostituirono nel XV secolo le colonne originali. La navata è decorata da affreschi commissionati dal cardinale Baronio.

L'interno è riccamente affrescato. La navata centrale è dedicata alla vita e al martirio dei santi titolari e di santa Domitilla. Le navate laterali contengono un ampio ciclo raffigurante, con vivida enfasi, scene di martirio tratte dal Martirologio Romano. Si tratta di un esempio assai eloquente dello spirito controriformista che caratterizza la pittura romana della seconda metà del Cinquecento. Questi affreschi sono tradizionalmente attribuiti a Niccolò Circignani detto il Pomarancio. Di Cristoforo Roncalli, detto anch'egli il Pomarancio, è il dipinto su tela con Santa Domitilla tra san Nereo e sant'Achilleo.

L'ambone medioevale è posto su di un'urna in porfido proveniente dalle Terme di Caracalla, il coro è delimitato da pareti di spoglio decorate in stile cosmatesco, mentre il ciborio, risalente al XVI secolo, è costruito con marmi africani.

Dietro l'altare c'è il trono episcopale in stile cosmatesco (scuola del Vassalletto), sul quale è trascritta la XXVIII-a omelia di papa Gregorio I Magno, nella quale il papa affermava di aver pregato di fronte alle reliquie dei santi Nereo e Achilleo: il cardinale Baronio, che ordinò l'iscrizione, non sapeva della traslazione delle reliquie dalle catacombe, e pensò dunque che fosse questo il luogo riferito da Gregorio Magno. L'arcone dell'abside è decorato con mosaici del IX secolo raffiguranti l'Annunciazione, la Trasfigurazione e la Theotokos, raffigurata con il bambino.