Das Innere ist mit seiner Vielzahl an Rundbögen und der Zweifarbigkeit des Marmors äußerst beeindruckend; hier finden sich selten schöne Kunstwerke wie der herrliche Fußboden mit figürlicher Dekoration: ein für Italien ungewöhnliches Werk, mit dem 1372 begonnen wurde und das 1562 fertig war.
Leider kann man den Fußboden nur teilweise sehen, aber hier befinden sich Intarsien und figürliche Marmordekorationen von allergrößtem Interesse, darunter die, die zwischen 1522 und 1525 vom Sieneser Manieristen Domenico Beccafiumi ausgeführt wurden.
Am Ende des rechten Seitenschiffs hinter dem Querschiff befindet sich die Kapelle der Madonna del Voto, die 1661 auf Wunsch Papst Alexanders VII Chigi nach Entwürfen des berühmten Bildhauers und Architekten Gian Lorenzo Bernini errichtet wurde. Sie ist ein barockes Werk mit bühnenartigem Effekt und zwei von Bernini selbst geschaffenen Statuen: dem Hl. Hieronimus und der Maria von Magdala.
Im Presbyterium befindet sich auf dem Hauptaltar, der vom Sienesen Baldassare Peruzzi entworfen wurde, das großartige Bronzeziborium, das zwischen 1467 und 1472 vom Sienesen Lorenzo di Pietro gen. Il Vecchietta ausgeführt worden ist. Es war für den Hauptaltar der Spitalkirche von Santa Maria della Scala gegossen worden und wurde 1506 wegen seiner Schönheit und zum Feiern der Eucharistie hierhergebracht.
In der Apsis beachte man das reiche hölzerne Chorgestühl, mit dem 1362 begonnen wurde und das mit den Mittelsitzen zwischen 1567 und 1570 fertiggestellt wurde. Aber das wichtigste in diesem Kirchenteil ist das Glasfenster, das nach Entwürfen des berühmten Duccio di Boninsegna, dem Gründer der Schule von Siena ausgeführt worden ist, und den Tod, die Himmelfahrt, die Marienkrönung, die Vier Evangelisten und die Stadtpatrone von Siena darstellt. Es handelt sich um eines der wichtigsten Zeugnisse der Glaskunst der italienischen Gotik und wurde 1288 ausgeführt. Unter der sechseckigen Kuppel befindet sich die schöne Marmorkanzel, die von Nicola Pisano unter Mithilfe seines Sohns Giovanni und Arnolfo di Cambios zwischen 1266 und 1268 geschaffen wurde.
Sie zeichnet sich durch Harmonie, reichen Figurenschmuck und das deutliche Relief aus, in dem die Szenen ausgeführt sind, und es handelt sich um eines der wichtigsten Zeugnisse der italienischen Bildhauerkunst des Mittelalters.
Geht man weiter durch den linken Arm des Querschiffs, so kommt man zur Kapelle Johannes d.T. mit der Bronzestatue dieses Heiligen, die 1457 vom großen Florentiner Renaissancekünstler Donatello geschoffen wurde.
Am linken Seitenschiff liegt die Piccolomini-Kapelle, die gegen 1495 vom Kardinal Francesco Todeschini Piccolomini gegründet wurde, der 1503 für nur 26 Tage unter dem Namen Pius III Papst wurde. Dieser großartige Raum, in dem man hinter der aufwendigen Fassade von 1497 die berühmten Fresken des Pinturicchio bewundern kann, wurde errichtet, um die Bibliothek Papst Pius II, des Sienesen Aeneas Silvius Piccolomini, aufzunehmen, die auf seinen Neffen übergegangen war, der sie dem Dom der Stadt schenkte.
Bernardino di Betto, der wegen seiner kleinen Statur Pinturicchio genannt wurde, stand zusammen mit Pietro Perugino an der Spitze der umbrischen Malerschule der Renaissancezeit. Die Fresken Pinturicchios sind ein großartiges Dekorationswerk und erzählen die wichtigsten Ereignisse aus dem Leben von Aeneas Silvius Piccolomini, der ein Humanist und Diplomat war und dann unter dem Namen Pius II Papst wurde. Der raffinierte Raum zeigt eine tief humanistische und klassische Prägung, die durch die Marmorgruppe der drei Grazien in der Saalmitte noch verstärkt wird. Die Gruppe ist eine römische Marmorkopie eines griechischen Originals, vielleicht eines Gemäldes, und kann ins 3. Jh. n.Chr. datiert werden. Wir verlassen diesen wunderbaren Raum, der uns die Macht der Familie Piccolomini, ihren großen Hang zur Kultur und ihre Liebe zur Vaterstadt Siena zeigt, und kommen so zum eleganten und gleichzeitig feierlichen Piccolomini-Altar, der auf Wunsch von Pius III errichtet wurde, als er noch Kardinal war. Der eindrucksvolle Altar ist mehrstöckig und mit zahlreichen Statuen geschmückt, von denen vier Michelangelo zu verdanken sind, der sie zwischen 1501 und 1504 schuf. Sie stellen links die Heiligen Gregor und Paul und rechts Petrus und Pius dar.
Seit kurzem können auch die unterirdischen Räume im Dom besichtigt werden, die die Bauabfolge dieses bedeutenden, komplexen Gebäudes veranschaulichen. Man kann hier Fresken aus dem 13. Jh. sehen, von denen einige wahrscheinlich vom großen Duccio di Buoninsegna stammen.
Diese Räume, unter denen auch ein länglicher Zwischenraum ist, der vielleicht ein kleiner Portikus war, sind sehr eindrucksvoll, nicht nur wegen der Architektur- und Malereireste, sondern auch weil man hier Hinweise auf den tiefen Glauben der Sienesen sehen kann wie eingeritzte Gebete sowie Spuren des Rauchs von Lampen und Kerzen.
