L’interno, molto suggestivo per il moltiplicarsi delle arcate a tutto sesto e la bicromia dei marmi, contiene opere di rara bellezza, a cominciare dallo splendido pavimento figurato: un’opera eccezionale in ambito italiano, iniziata nel 1372 e terminata nel 1562.Purtroppo questo pavimento è parzialmente visibile, ma vi sono intarsi e figurazioni marmoree di altissimo interesse e fra queste si segnalano quelle disegnate dal grande pittore manierista senese Domenico Beccafumi tra il 1522 e il 1525.
In fondo alla navata destrapassando nel transetto, si trova la Cappella della Madonna del Voto, voluta nel 1661 da papa Alessandro VII, della nobile famiglia senese Chigi ed eseguita su disegno del celeberrimo scultore e architetto Gian Lorenzo Bernini; è un’opera barocca di bell’effetto scenografico e contiene due statue scolpite dal Bernini stesso: quella di S. Girolamo e quella della Maddalena.
Nel presbiterio, sull’Altar maggiore, disegnato dal senese Baldassarre Peruzzi, vi è il magnifico ciborio bronzeo lavorato dal senese Lorenzo di Pietro – detto il Vecchietta – fra il 1467 ed il 1472: esso era stato fuso per l’altar grande della chiesa dell’Ospedale di S. Maria della Scala e venne trasferito qui nel 1506, per la sua bellezza e per esaltare il culto Eucaristico. Nell’abside si noti il ricchissimo coro ligneo iniziato nel 1362 e terminato, con gli stalli centrali, fra il 1567 ed il 1570.
Ma il gioiello di questa parte della chiesa è la vetrata, eseguita su disegno del celebre Duccio di Boninsegna – l’iniziatore della scuola senese – che raffigura la Morte, l’Assunzione, l’Incoronazione della Vergine, i quattro Evangelisti e i Santi Patroni di Siena; è una delle più alte testimonianze dell’arte vetraria del gotico italiano e fu lavorata nel 1288. Andando sotto l’esagono della Cupola ecco lo splendido pulpito marmoreo scolpito in stile gotico da Nicola Pisano, con l’aiuto del figlio Giovanni e di Arnolfo di Cambio, tra il 1266 ed il 1268. Esso è magnifico per l’armonia, la ricchezza delle figurazioni e l’accentuato rilievo che caratterizza le storie, ed è fra le più alte testimonianze della scultura medioevale italiana.
Continuando a percorrere il braccio sinistro del transetto, ecco la cappella di S. Giovanni Battista, con la statua in bronzo di questo Santo, lavorata nel 1457 dal grande scultore rinascimentale fiorentino Donatello.
Sulla navata sinistra si apre la Libreria Piccolomini che venne fondata verso il 1495 dal Cardinale Francesco Todeschini Piccolomini, divenuto nel 1503, per appena 26 giorni, Papa col nome di Pio III. Introdotto da una elaborata facciata del 1497 e nel cui interno si ammirano i celebri affreschi di Bernardino Pinturicchio, questo splendido ambiente venne costruito per conservare la biblioteca di Papa Pio II, il senese Enea Silvio Piccolomini, che appunto era passata al nipote e che questi aveva voluto donare alla Cattedrale di Siena.
Bernardino di Betto, soprannominato il Pinturicchio, per la sua piccola statura, fu l’altro caposcuola della pittura rinascimentale umbra assieme al più famoso Pietro Perugino. Gli affreschi del Pinturicchio sono un’opera splendidamente decorativa e narrano le principali vicende terrene di Enea Silvio Piccolomini che fu umanista, diplomatico e che, quindi, divenne papa col nome di Pio II; è un ambiente di una grande raffinatezza che denota un’ impronta profondamente umanistica e classicheggiante, rimarcata dal gruppo marmoreo delle Tre Grazie che si trova al centro della sala. Il gruppo è una copia romana da un’ originale, forse pittorico, greco e si può assegnare al III secolo della nostra Era.
Usciti da questo meraviglioso ambiente, che ci fa capire la potenza della famiglia Piccolomini, il suo grande amore per la cultura, nonché l’affezione per la città natìa di Siena ecco l’elegante e al contempo solenne altare Piccolomini, voluto da Pio III quando era ancora Cardinale. La sua imponente struttura è a più ordini ed è ornata da numerose statue, di cui quattro dovute a Michelangelo, che le scolpì tra il 1501 ed il 1504: esse raffigurano, a sinistra, i Santi Gregorio e Paolo e a destra i Santi Pietro e Pio.
Recentemente sono stati resi visitabili al pubblico ambienti sotterranei al Duomo che documentano le vicende costruttive di questa insigne e complessa costruzione; vi si possono ammirare affreschi duecenteschi, alcuni probabilmente dovuti alla mano stessa del grande Duccio di Boninsegna.
Questi locali, fra cui un’intercapedine che forse era un piccolo porticato, sono di enorme suggestione e non solo per gli elementi architettonici e i resti pittorici che li caratterizzano, ma pure per i segni tangibili della fede della gente di Siena che vi si vedono, come invocazioni scritte e tracce del fumo di lampade e candele.