La cupola ha un diametro di metri 22,50, era ricoperta da opere musive, oggi scomparse;  le pareti sottostanti del tamburo erano decorate da pregevoli mosaici, il tamburo era dotato di un sontuoso rivestimento marmoreo in opus sectile (era una tecnica costruttiva tipicamente romana, una specie di mosaico con l'impiego di lastre di marmo, di spessore vario, di dimensioni relativamente grandi in lunghezza e larghezza, e tagliate talora in forme geometriche), all’epoca furono distrutti su disposizione del cardinale Fabrizio Veralli (1560-1624), in quanto in pessime condizioni di conservazione. Gli affreschi di mediocre qualità che sostituirono gli originali sono stati di recente estirpati ed è stata rimessa in luce la muratura romana del IV secolo. Nel 1620 i mosaici della cupola furono sostituiti dagli attuali affreschi.