La chiesa presenta un'aula unica con cappelle laterali e cupola all'incrocio col transetto.

Fu iniziata nel 1610 dall'architetto napoletano Giovanni Battista Cavagna e nel 1619 fu eseguita da Pietro Solari la decorazione in stucco dell'interno, di stile manierista, su probabile disegno del romano Girolamo Rainaldi.

Lungo la volta entro riquadri si succedono gli affreschi realizzati nel 1618 - 1620 da Antonio Viviani di Urbino.

A partire dall'ingresso si succedono "L'incontro di San Pietro e San Paolo", "La Crocifissione di San Pietro" e "San Pietro in Gloria". Lo stesso artista realizzò gli affreschi della controfacciata: "Lo sbarco di San Paolo a Malta" (a destra) e il "Quo Vadis" (a sinistra). Nel cappellone absidale si trovano altri suoi dipinti: "La caduta di Simon Mago" (al centro), "La liberazione di San Pietro dal carcere" (a destra), "Cristo che cammina sulle acque" (a sinistra) e infine "L'annunciazione" sopra il rainaldesco altare maggiore.

Nel 1626 fu eretto il tamburo e il cornicione dal forsempronese Giovanni Maria Pazzaia e solo nel 1696 il romano Girolamo Caccia realizzò la cupola, la cui ornamentazione interna di gusto barocco, compiuta nel 1696 - 1700, si deve al bolognese Lauro Buonaguardia.

Ancora nel 1710 lo scultore comasco Giorgio Ferretti esegue gli Angeli, i putti alati delle cantorie e i due Angeli in marmo ai lati dell'altare maggiore.

Per la cappella absidale il fanese Carlo Magini realizzò la tela "La consegna delle chiavi" (1797), posta sopra l'altare maggiore, in sostituzione dell'originale di Guido Reni sottratto dai Francesi nel 1797 (attualmente al Louvre), mentre a destra si trova il "San Pietro che guarisce lo storpio" (1635 - 1645) del pesarese Simone Cantarini e a sinistra "San Pietro resuscita Tabita" (1633 - 1634) di Matteo Loves.