La struttura interna della chiesa, nonostante le notevoli trasformazioni, è ben individuabile nell'impianto romanico a tre navate divise da pilastri (in origine compositi), ha però perduto dal XVI secolo le tre absidi, demolite e sostituite dalle due cappelle laterali e dal coro centrale. Nella cappella di sinistra del SS. Sacramento si ricordano i dipinti: "La caduta della manna" e "L'ultima cena", di scuola bolognese del XVII secolo e il "Gesù col Sacramento" del fanese Giuseppe Luzi (Secolo XVIII). La cappella di destra dei Santi Orso ed Eusebio conserva le spoglie dei due Santi Protettori della città e il dipinto d'altare di Ludovico Carracci con "La Vergine e i Santi Orso ed Eusebio" (1613). Sul fondo del coro la "Vergine Assunta" fu realizzata dal fanese Sebastiano Ceccarini nella metà del XVIII secolo.

A testimoniare l'antica cripta rimane una piccola parte superstite a destra del presbiterio.

Le cappelle laterali estranee all'impianto primitivo furono aperte a partire dal XIV secolo dalle nobili famiglie fanesi e furono successivamente notevolmente modificate.

A sinistra la prima cappella del Crocifisso ha nella parete laterale sinistra una lapide in ricordo di Arnolfo Rinalducci (morto nel 1620) sormontata da un medaglione con l'immagine dipinta di Arnolfo. La lapide di destra ricorda Luigi Rinalducci (morto nel 1617) ed è sormontata dal ritratto in lavagna quasi perduto.

La seconda cappella dedicata alla Madonna pellegrina fu eretta nel 1379; conserva dell'epoca gotica finestre a sesto acuto decorate all'esterno con elementi in terracotta.

Segue la terza cappella più piccola del Battistero dove si trova il monumento funebre del Vescovo Alessandro I Castracane morto nel 1649.

A destra si succedono la cappella di San Paolo, ornata dalla pala d'altare raffigurante "La conversione di San Paolo", di stile zuccaresco, la cappella Sepolcro dei vescovi (ex cappella dell' Addolorata), che mantiene dell'epoca gotica di costruzione l'originaria copertura a crociera con costoloni poligonali (conserva anche il frammentario sarcofago medioevale "del citarista") e infine la seicentesca cappella Nolfi.

L'organo presente nel Duomo è stato costruito nel 1909 da V. Mascioni.