No interior, cinco naves são divididas por colunas monolíticas de granito da ilha de Elba. Os arcos das naves laterais revelam um gosto mourisco tão forte que a catedral foi frequentemente comparada à grande Mesquita de Córdoba. A nave é coberta por um teto de caixotões de madeira, que substituiu as tesouras originais expostas no século XVII. Essa mudança seguiu-se a um desastre. Em 1595, um incêndio danificou gravemente a igreja, e grande parte da decoração medieval foi perdida. As três portas de bronze da fachada foram feitas depois do incêndio, pela oficina de Giambologna. A única grande porta que escapou é a Porta de São Rainério, fundida por volta de 1180 por Bonanno Pisano e decorada com 24 painéis com cenas do Novo Testamento. Abre-se no transepto sul, voltado para a torre, e desde o início os fiéis a utilizavam. Para os habitantes que chegavam pela via Santa Maria, era o caminho mais curto para entrar. O incêndio também poupou obras notáveis do início do século XIV. No mosaico da abside, com Cristo Pantocrator, Cimabue pintou a figura de São João Evangelista por volta de 1302. O púlpito gótico de Giovanni Pisano, iniciado em 1302, traz cenas da vida de Cristo. Encontra-se ainda o monumento sepulcral do imperador Henrique VII, de 1315.