L’interno della Cattedrale di stile gotico è costituita da un’unica navata con capriate a vista, con otto cappelle ai lati e termina con un’abside semicircolare dove nella parete sud domina il grande Crocifisso di Giotto dipinto su tavola circa nel 1299. Nelle due cappelle laterali vicine al presbiterio, ricostruite più recententemente, ospitano in quella di sinistra la tela di Giorgio Vasari dipinta nel 1548 dove è rappresentato San Francesco che riceve le stimmate, e in quella di destra l’affresco di Piero della Francesca raffigurante Sigismondo Pandolfo Malatesta inginocchiato davanti a San Sigismondo datato 1451.
Le altre sei cappelle più vicine all’entrata sono state costruite tutte tra il 1449 e il 1456, decorate armoniosamente da Agostino di Duccio e Matteo de’ Pasti.
All’interno come all’esterno si denota un “ordine” che investe l’architettura della navata e la distribuzione della luce al suo interno, in cui la sequenza ritmica della diverse cappelle denota un forte asse prospettico che doveva concludersi in una grande cupola (mai realizzata), catalizzatrice proprio della luce quale metafora della presenza divina, un percorso interno da leggersi quale vero e proprio itinerario dell’anima verso la luce.
La prima cappella a sinistra si chiama: la Cappella della Madonna dell’acqua, detta “delle Sibille”, in origine dedicata alla Passione contenete nel sarcofago in alto a sinistra i resti degli antenati della famiglia Malatesta, segue la Cappella dei Caduti, in origine sagrestia per le due cappelle attigue; poi la Cappella di San Gaudenzo, detta “dei giochi infantili” in origine forse dedicata a San Raffaele Arcangelo e infine la Cappella di San Giuseppe, detta “delle arti liberali”, in origine forse dedicata a sant’Agostino.
La prima cappella a destra è dedicata a San Sigismondo, detta “delle Virtù cardinali e teologali”, segue la “ Cella delle Reliquie” contenenti i resti della divisa da condottiero di Sigismondo Pandolfo Malatesta, originariamente destinato a sagrestia e a tesoro; poi la seconda cappella detta “di Isotta” dove sopra al tabernacolo centrale vi è la statua di San Michele Arcangelo e sulla sinistra è collocata la tomba di Isotta; infine vi è la cappella di marmo rosso verona dedicata a Santa Colomba, in origine forse dedicata a San Girolamo, detta “ dei pianeti” con dei bassorilievi raffiguranti i pianeti e i relativi segni zodiacali.
Il pavimento sotto la navata centrale è stato totalmente rifatto dopo la Seconda Guerra Mondiale in marmo rosso di Verona.
Subito dopo entrati dal portone principale incastonato tra l’entrata, la cappella di San Sigismondo e l’acquasantiera vi è il sarcofago in marmo di Sigismondo Pandolfo Malatesta che nel 1468 morì all’età di 51 anni a causa di una malattia. L’opera fu realizzata dai toscani Bernardo Ciuffagni e Francesco di Simone Ferrucci, chiaramente la tomba non doveva essere collocata in quel luogo ma molto probabilmente nella facciata esterna sotto ad un arco.