L'abside quadrilatera è ornata da un "Arco trionfale" tardo - gotico di pregevolissima fattura. E' dominata dal Cristo crocifisso, dipinto a tempera su tavola di Giovanni da Rimini (1315).

L'altar maggiore, in arenaria, fu eseguito nel 1909 dallo scalpellino Giuseppe Cipriani su disegno dell'architetto Giuseppe Castellucci. Sull'altare si trova una Madonna in trono col Bambino e Santi, dipinto su tavola attribuito a Giovanni Baronzio (ca. 1345).

A sinistra sono visibili due dipinti a tempera su tavola del senese Luca di Tomme' (seconda meta' sec. XVI), raffiguranti la Madonna col Bambino e Sant'Antonio. La soprastante vetrata e' l'unica originale della chiesa.

A destra, il dipinto piu' antico che si trova nella chiesa: risale al Duecento e raffigura la Madonna col Bambino, tavola firmata dal pittore toscano Bonaventura di Michele.

Affresco di un artista locale popolare e' quello che orna la parete sinistra del presbiterio, dove si nota Sant'Agostino in abiti pontificali; esso proviene dalla parrocchiale di San Michele Arcangelo di Valle Bovona o Valbona, ed e' databile all'inizio del secolo XVI.

Un cippo in pietra, risalente forse al IX secolo e proveniente dalla Chiesa di San Martino in Val Petrosa, e' collocato nel piano dell'abside.

Completamente affrescata e' la volta dell'abside: nelle quattro campate della crociera sono rappresentati i Quattro Evangelisti con i relativi simboli: il bue (San Luca), l'aquila (San Giovanni), il leone (San Marco), l'angelo (San Matteo). L'intero ciclo pittorico e' attribuibile a Gerolamo Genga (1476 - 1551), scolaro di Luca Signorelli per cio' che riguarda la pittura.

L'arco trionfale, in travertino, orna la zona presbiteriale. Venne scolpito poco dopo il 1425 per volonta' di Giovanna Alidosi, che lo fece innalzare dopo la morte del marito Bartolomeo Brancaleoni, insieme al Mausoleo a questi dedicato, oggi murato sulla parete di fondo della chiesa.
L'arco, che ando' a sovrapporsi ad uno precedente, e' opera di maestri veneziani. Di un fine scultore e' la realizzazione delle due statue in marmo di Carrara raffiguranti San Francesco d'Assisi e San Bonaventura, poggianti sulle due mensole sopra i capitelli. La formella a bassorilievo posta al centro dell'arco reca lo stemma di Bartolomeo Brancaleoni, raffigurante un leone rampante.

Sulla parete di fondo si apre una bifora in arenaria di pregevole fattura (m 4,44 x 1,50), riaperta nel 1906 dopo che era stata tamponata nel 1547 per collocarvi la tela dell' Incoronazione della Vergine e Santi, ora conservata nella sacrestia. La bifora e' chiusa da una vetrata, opera di Francesco Mossmeyer.

Sempre sulla parete di fondo, a destra si trova il Monumento funerario del medico Brelli; un frammento di pietra arenaria raffigurante Il Redentore e un angelo, arte gotica del Trecento proveniente dall'ex Convento di Santa Chiara; i Ritratti di Federico da Montefeltro e di Ottaviano Ubaldini, medaglioni in marmo scolpiti a bassorilievo.

A sinistra e' visibile il Mausoleo di Bartolomeo Brancaleoni.

Lungo la parete destra della navata sono visibili: un affresco di scuola umbra del Quattrocento raffigurante la Madonna col Bambino e Santi Caterina d'Alessandria e Ludovico d'Angio', il Padre Eterno fra Angeli e Serafini un grande affresco del sec. XVII che rappresenta l' Immacolata Concezione, sotto il quale si notano tracce poco leggibili di un affresco precedente; la Madonna col Bambino e Santi Antonio e Sebastiano, affresco di scuola umbra del sec. XV; l' Incoronazione della Vergine in cielo, affresco databile alla seconda meta' del sec. XIV; una Madonna col Bambino e San Giovannino, tavola del Cinquecento, copia di un dipinto di Gerolamo Genga; un "tabernacolo esagonale" in legno intagliato e dorato, opera di bottega locale della fine del sec. XVI.

Lungo la parete sinistra della navata si trova la parte superstite di un affresco forse opera di Lorenzo Salimbeni da San Severino (1374 - 1420), raffigurante Santa Chiara; una "colonna romana con capitello", proveniente dai resti di un antico tempio pagano, dedicato al dio Metauro, situato in prossimita' di Castello della Pieve; una Crocifissione del XVI secolo, proveniente dalla chiesa di Santa Croce; una nicchia affrescata divisa in due campi: in alto e' raffigurata una campagna su cui scorre un fiume che sembra dovesse servire per la rappresentazione plastica del Battesimo di Gesu; in basso e' dipinta una capanna con alcuni alberi che serviva di sfondo al Presepe; alcuni affreschi di scuola marchigiana del Quattrocento, provenienti dalla chiesa di San Martino in Val Petrosa. Essi raffigurano: la Crocifissione; San Floriano (?); San Martino a cavallo col mendico; la Vergine in trono col Bambino; Sant'Antonio Abate.