L'interno, di elegante e raffinata semplicità, risente delle influenze classicheggianti dell'Alberti e di Giuliano da Sangallo (secondo alcuni studi il possibile vero progettista dell'opera). La bicromia dell'intonaco e della pietra forte rende più marcati gli elementi architettonici con una sobrietà in linea con i dettami francescani di povertà e semplicità. Il tetto è a capriate mentre l'attuale pavimento, dove si trovano antiche lapidi funerarie, è stato in gran parte ricostruito nel 1849.

Sull'unica navata si aprono cinque cappelle per parte, scandite da un doppio ordine di lesene in pietra forte di stile dorico, le quali hanno perduto l'originale corredo artistico con la dipartita dei frati ed oggi esibiscono oggetti d'arte di diversa provenienza. Nella seconda Cappella a sinistra è collocata una Deposizione in terracotta policroma invetriata di Giovanni della Robbia.

Sull'altar maggiore era collocata la venerata reliquia del saio di San Francesco d'Assisi, l'abito che il santo indossava nel 1224 quando ricevette le stigmate presso La Verna, anche questo migrato in Ognissanti. Oggi è presente un Crocifisso ligneo riconosciuto come opera di un maestro della cerchia di Andrea Ferrucci, mentre un secondo crocifisso nel Cappellone è attribuito alla scuola di Baccio da Montelupo e Benedetto da Maiano (entrambi risalirebbero al 1496 circa). I disegni delle vetrate sono attribuiti al Perugino (primi anni del Cinquecento).

Sul lato destro della zona presbiteriale si trova la Cappella dei Nerli, anch'essa di notevole impianto rinascimentale con volta a botte, che ospita un'interessante tavola cinquecentesca della Madonna in trono col Bambino, Santi e Angeli di un anonimo artista del XVI secolo. Il committente, Tanai di Francesco Nerli, era un acerrimo nemico del Savonarola e fu lui a punire la campana di San Marco che aveva osato suonare per avvertire dell'arresto del predicatore ferrarese durante la famigerata notte dell'8 aprile 1498. La campana in bronzo subì infatti il supplizio di essere portata in processione per la città con destinazione San Salvatore, frustandola lungo il tragitto e deponendola per sempre, infatti non ha mai più suonato.

La chiesa di San Salvatore al Monte accoglie anche il Monumento a Marcello di Virgilio Adriani (1526), colui che firmò la condanna a morte dello stesso Savonarola. Nell'attiguo convento di frati è conservato un chiostro quattrocentesco.