La facciata è composta da sei colonne a fusto liscio che sostengono la trabeazione e suddividono la struttura in cinque aree. Il portale maggiore, costruito nel 1606, presenta coppie di colonne corinzie ed espone le insegne di Filippo III di Spagna, di Maria d'Enghien e di Gualtieri VI di Brienne. Sulle porte laterali sono esposti gli stemmi della Congregazione dei Celestini. La trabeazione è sormontata da una successione di telamoni raffiguranti figure grottesche o animali fantastici e allegorici che sorreggono la balaustra, ornata di tredici putti abbracciati ai simboli del potere temporale (la corona) e spirituale (la tiara).

L'interno, a croce latina, era originariamente ripartito in cinque navate, due delle quali furono successivamente riassorbite in cappelle laterali aggiunte nel XVIII secolo. Le volte delle navate sono sorrette da due ordini di colonne, in tutto diciotto, le prime due sono addossate alla parete esterna, le ultime quattro binate delimitano il transetto e l'arco trionfale. La navata maggiore è coperta da un fastoso soffitto a cassettoni in legno di noce con dorature, mentre le navate laterali sono sormontate da volte a crociera. Nel quadrivio di intersezione dei due bracci della croce si innalza un'alta cupola decorata con festoni di foglie d'acanto, angioletti e motivi floreali.

Nel presbiterio, spogliato nel corso dei secoli del coro ligneo e dell'originario altare maggiore, si può ammirare l'abside polilobata e costolonata. L'attuale altare maggiore di epoca settecentesca fu prelevato nel 1956 dalla chiesa dei Santi Niccolò e Cataldo in occasione del XV Congresso eucaristico nazionale tenutosi in città in quell'anno. Le pareti absidali sono decorate dai dipinti dell’Adorazione dei pastori, dell’Annunciazione, della Visita di Maria a sant'Elisabetta e de Il riposo nella fuga in Egitto. A sinistra dell'altare maggiore sorge il monumento funebre a Mauro Leopardo, abate del convento dei Celestini.

Lungo le navate si aprono sette profonde cappelle per lato, al cui interno si trovano splendidi altari riccamente decorati. Complessivamente la chiesa accoglie sedici altari barocchi. Nella navata sinistra, partendo dall'ingresso, si susseguono gli altari dedicati a san Pier Celestino, all'Immacolata, all'Annunciazione, alla Madonna del Carmine, a sant'Andrea Avellino, a sant'Irene e alla Pietà. Nel transetto sinistro è l'altare dedicato a san Francesco da Paola, capolavoro di Francesco Antonio Zimbalo, che lo realizzò tra il 1614 e il 1615, da molti studiosi considerato la massima espressione scultorea del barocco in Terra d'Otranto. Nel transetto destro sono collocati gli altari della Trinità e quello della Santa Croce, quest'ultimo opera barocca del 1637 di Cesare Penna, commissionata dall'abate generale dei Celestini Celso Amerighi. Lungo la navata destra si aprono sei cappelle con gli altari dell'Apparizione del Sacro Cuore di Gesù a santa Margherita Alacoque, di sant'Oronzo, di san Filippo Neri, di san Michele arcangelo, della Natività del Signore e di sant'Antonio da Padova. In quest'ultima cappella è conservato un cinquecentesco affresco della Madonna di Costantinopoli.