L'interno è a navata unica con volta a grandi conchiglie a rilievo poste ai quattro angoli.

L'altare maggiore è sormontato da un elegante baldacchino, con al centro un gruppo in terracotta policroma.

Nei due altari laterali, con ornati lignei finemente intagliati e dorati, trovano posto le pale raffiguranti la Strage degli innocenti e la Visitazione.
Entrambe le opere sono da ricondurre al Ridolfi e datate 1625. A Girolamo Cialdieri, allievo del Ridolfi, è invece da ricondurre la tempera della predella dell'altare laterale sinistro, anch'essa raffigurante la Strage degli innocenti, restaurata nel 1993.

I grandi frammenti di affreschi, ora lungo le pareti della chiesa, rappresentavano il Compianto sul Cristo morto, la Crocifissione ed il martirio di Sant'Apollonia, quest'ultimo attribuito a Jacopo Bedi e datato 1455.

Per ultimo vi è lo stendardo, ora incorniciato a mo' di quadro, raffigurante su di un lato la Incoronazione di Maria e confratelli della misericordia e dall'altro lato San Biagio in trono e angeli, opera giovanile di Benedetto Nucci del 1539. Nella prima sacrestia si trova un affresco raffigurante San Domenico, che è da attribuire al Maestro di Monte Martello.

L'altare maggiore è sormontato da un elegante baldacchino che poggia su due colonne con decorazioni affrescate in blu rosso e oro, dove ricorre più volte il simbolo della ghianda, che compare anche nella volta della chiesa e che quindi potrebbe avere anche un significato araldico.
Nel frontone dell'altare è visibile un fregio, con palmette e cornucopie a bassorilievo dorate, nei cui pennacchi sono collocati due cherubini. Al centro del timpano è ancora parzialmente visibile la colomba dello Spirito Santo.
Al centro dell'altare, entro una nicchia trapuntata di stelle a rilievo su fondo blu, si trova il gruppo in terracotta policroma che raffigura la Madonna della Misericordia, con due angeli che sorreggono il manto della Madonna, che tiene in braccio il Bambino, sotto il quale si trovano i fedeli in preghiera.
Nelle vele della volta del baldacchino sono i Quattro Evangelisti che un tempo furono erroneamente attribuiti al Salimbeni.