O interior da antiga basílica — o imperador Constantino adornou a antiga basílica monumental com ouro, prata, mosaicos. Tratava-se de uma basílica tradicional com quatro naves com colunas, transeptos e ábside. Em toda a largura, havia uma espécie de átrio (atrium) quase quadrado para servir como local de meditação e purificação. Quinze colunas de mármore da Numídia separavam a ampla nave central das laterais, e cada amplo arco tinha 4 m. de largura. Um arco triunfal em altas pilastras marcava o limite entre a nave e o transepto com o altar no centro. Na ábside, atrás, ficava a cadeira papal , elevada. As naves não eram abobadadas, e as traves de madeira do teto ficavam expostas como se deduz ao ver o afresco em S. Martino ai Monti, que mostra o interior da velha basílica.
Um dos trabalhos mais importantes é o altar papal, no qual apenas o papa pode celebrar a Eucaristia. Contém a ara em madeira do altar onde, segundo a tradição, os primeiros bispos de Roma celebravam missa. Acima, ergue-se o tabernáculo, adornado com afrescos e esculturas. Pode ter sido desenhado por Giovanni di Stefano, de Siena, entre 1367 e 1370, mas foi muito restaurado em 1851. As flores-de-lis são referência ao patrono, rei Carlos V de França. Na parte superior vêem-se bustos de S. Pedro e S. Paulo,