L’interno stupisce per la sua ariosità e la sua maestosità, oltre che per la custodia di numerose opere d’arte. Ai lati dell’ingresso è possibile ammirare due colonne di breccia africana, di tipo romano tardo-imperiale, munite di capitelli bizantini finemente scolpiti, di epoca teodosiana, databili intorno al sesto secolo, sorelle superstiti di altre 8 colonne, ora disperse.
La pianta è a crociera, in origine sigillata nell’incrocio della cupola, completata da due testate laterali; al presbiterio e alla cappella principale sono affiancate due cappelle ed, ancor più lateralmente, la chiesetta di san Pier Damiano e la sagrestia.
La prima cappella di sinistra, dedicata a S.Vincenzo de Paoli, è dotata di  una pala raffigurante la Madonna in trono con santi, eseguita nel 1522 dall’imolese Gaspare Sacchi.
Segue la Cappella dell’Angelo Custode, eretta a cura della nobile famiglia Selvaggiani, con al centro il dipinto settecentesco del faentino Tommaso Missiroli, ora sostituito da una copia del 1881 del pittore Savino Lega.
Segue la cappella della SS. Trinità, con un’ancona lignea chiaramente incompiuta che racchiude il dipinto sempre del faentino Missiroli, e destinata a custodire le reliquie di S.Pier Damiani, poi trasferite in Cattedrale.
Ai lati dell’altare maggiore troviamo la cappella di S. Severo a sinistra e S.Bernardo a destra; al centro l’ancona di marmi policromi della cappella maggiore, offre una suggestiva visione del presbiterio e custodisce la copia dell’immagine della Madonna dell’Angelo, poiché l'originale fu trasferita in S.Maria dell’Angelo.
Nella navata di destra troviamo la Cappella di S.Pier Damiani, opera dell’architetto faentino Girolamo Conti del 1858, con affreschi monocromi raffiguranti episodi di vita del santo e, al centro, la statua in terracotta del brisighellese Filippo Galli, che rappresenta il venerato Padre della Chiesa.
La cappella del SS. Crocifisso, eretta nel 1745 con la ricchezza del tardo barocco, col Redentore nel momento spasmodico dell’agonia, precede l’ ingresso verso il campanile della basilica.