El interior es un admirable alarde de proporciones. Tiene tres naves, la central más alta y separada de las laterales por arcos formeros que descansan sobre pilares cruciformes. La cabecera es bellísima, destaca el ábside central, de dos cuerpos, el inferior adornado con seis arcos ciegos de medio punto en el tramo curvo y dos en cada tramo recto. En el superior se abren tres grandes ventanales unidos por una trabajada imposta. Los arcos torales soportan una atractiva cúpula de tipo califal sobre trompas con arcos paralelos entrecruzados y apertura central.

Dentro de los ornamentos destinados al culto destaca su altar mayor de estilo románico, compuesto por un crucificado rodeado por diez arcadas cegadas, así como varias piezas de la imaginería procesional que participa en la Semana Santa segoviana, como son las tallas de Nuestra Señora de la Soledad al pie de la Cruz y del Santísimo Cristo en su última Palabra, que fueron donadas por el escultor segoviano Aniceto Marinas y corresponden a su cofradía homónima, que tiene su sede canónica en el templo.