L'interno della chiesa si presenta nella veste cinquecentesca che le dette Antonio da Sangallo il Vecchio, con pianta a croce latina divisa in tre navate da colonne tuscaniche che sostengono archi a tutto sesto. La navata centrale è coperta con volta a botte lunettata ed è priva di scansione in campate; invece, ciascuna delle due navate laterali, è composta da sette campate coperte con volta a botte trasversale e divise da archi a tutto sesto a ridosso dei quali si appoggiano le colonne. Oltre il transetto, in corrispondenza della navata centrale, si trova l'abside quadrangolare, con volta a padiglione.

All'interno, all'ingresso della navata destra, l’altare barocco della famiglia Cini con l’edicola in legno dorato, nel quale è una replica del Volto Santo del pittore fiorentino Carlo Dolci. Nella stessa cappella è anche la quattrocentesca Madonna col Bambino di Taddeo di Bartolo. Più avanti è l'altare Bardi costituito da un'altra edicola, ma in pietra serena, che custodisce una tela con il Martirio di santa Caterina d'Alessandria di Giovan Battista Pozzo. Nel transetto destro è la cappella Bertini, con apparato decorativo marmoreo e volta con stucchi. La Cappella maggiore è coperta con volta a botte ed ospita, oltre al coro ligneo, l'altare maggiore.

In chiesa sono anche la Deposizione e santi di Ridolfo del Ghirlandaio (1519), una Pietà e santi del Cigoli, ed un'edicola in marmo di Baccio da Montelupo che contiene un affresco quattrocentesco con la Madonna in trono.