L'interno si presenta con tre absidi e tre rispettivi altari, dedicati a san Zenone, alla Vergine Maria e a san Bernardo. L'abside dell'altare maggiore è decorata con un bel mosaico eseguito da Francesco Zucchi su disegno di Giovanni de' Vecchi, che rappresenta il tribuno Zenone, San Bernardo da Chiaravalle ed altre figure mentre la Vergine in gloria col bambino Gesù dominano centralmente la composizione. Il mosaico a fondo oro fu commissionato dal cardinale Alessandro Farnese (vedi i gigli farnesiani che ricorrono nella decorazione) ma, il cardinale Pietro Aldobrandini lo fece successivamente modificare, aggiungendo la propria effigie inginocchiata e quella del papa Clemente VIII Aldobrandini.

La scelta della decorazione musiva a fondo oro è chiaramente dettata dalla volontà di evocare, in questa chiesa, il cristianesimo dei primi secoli e nel contempo allude alla cappella di San Zenone nella basilica romana di Santa Prassede, anch'essa tappezzata di mosaici a fondo oro. Sugli altari laterali sono esposti La visione di san Bernardo, e l'Annunciazione, di autori anonimi della fine del XVI secolo, oltre ad una pala raffigurante San Zenone e i suoi legionari, trafugata anni or sono e riprodotta fedelmente da un noto pittore romano Tata Mario (XXI secolo).

Due piccole rampe portano alla cripta sotterranea, costruita sull'antico cimitero dove la tradizione dice che furono martirizzati Zenone ed i suoi compagni. Il pavimento di questo sotterraneo è opera cosmatesca del XIII secolo, appartenuto alla chiesa medievale, così come l'altare qui presente, che è lo stesso su cui san Bernardo celebrò la messa della visione. Tra le pietre del mosaico vi è un frammento di epigrafe cimiteriale cristiano del III secolo.