L'interno è a tre navate di tre campate ciascuna, coperte con volta a crociera e separate da archi a sesto acuto poggianti su pilastri quadrangolari. Insolitamente, mentre le due navate laterali sono riccamente decorate sulle pareti e sulle volte con affreschi e stucchi di gusto barocco, la navata centrale è alquanto spoglia, priva di particolari decorazioni. In controfacciata, sopra il portale, vi è una cantoria marmorea delimitata da una balaustra, sopra la quale si trovava anticamente un organo a canne, del quale rimangono la cassa e la mostra.

Fra i vari affreschi trecenteschi che un tempo la ornavano, rimangono quelli che rappresentano le Storie di Erode e la strage degli Innocenti, nella cappella maggiore, attribuiti a Jacopo di Cione, e quelli raffiguranti Santi su uno dei pilastri quadrangolari che separano le navate, riferiti a Mariotto di Nardo.

Dalla prima metà del XVII secolo in poi, risalgono le opere del Poccetti (nella volta con affreschi della Vita di san Zanobi), del Cigoli, di Pier Dandini, del Passignano, del Volterrano (notevole il Carro di Elia, prima opera compiutamente "barocca" dipinta a Firenze), di Matteo Rosselli (la Vergine che mostra il Bambino a san Francesco) e di Vincenzo Meucci.

Nella cappella Carnesecchi, posta alla sinistra dell'abside, a ridosso della parete di fondo, si trova un altare in marmi policromi del XVIII secolo, la cui ancona è costituita da due colonne corinzie che sorreggono un timpano spezzato al centro del quale vi è un Crocifisso di Giovanni di Francesco. Ivi trova luogo una preziosa reliquia il bassorilievo ligneo policromo e dorato del XIII secolo, raffigurante la Madonna col Bambino, attribuita tradizionalmente a Coppo da Marcovaldo (con molti dubbi e scoperte in fase di restauro che farebbero pensare a un'opera bizantina di un secolo più antica, del XII); nella stessa cappella venne individuata nel 1751 l'iscrizione su una colonna che segnala la tomba di Brunetto Latini, letterato e notaio fiorentino, ben noto come maestro di Dante Alighieri; alla parete sinistra si trova un sarcofago con statua giacente, riferibile all'ambito di Tino di Camaino (inizio XIV secolo).