L'interno, preceduto da vestibolo, è a tre navate; la maggiore, absidata e con volta a botte ribassata, è separata dalle laterali da pilastri che inglobano le colonne antiche. L'ampia e luminosa navata centrale conserva il vivace carattere settecentesco; nella volta, affresco (Apoteosi di S. Cecilia) di Sebastiano Conca. Dalla navata di destra, attraverso un corridoio affrescato (paesaggi e santi) di Paul Brill (in fondo, statua di S. Sebastiano della prima metà del sec. XVI attribuita a Lotti, Lorenzo detto il Lorenzetto; a sinistra, Ss. Valeriano e Cecilia di Guido Reni), si accede alla cappella del bagno, il calidarium dove secondo la tradizione la santa restò tre giorni esposta ai vapori prima del martirio (visibili le antiche condutture termali); decorato da affreschi attribuiti ad Andrea Lilli, ha sull'altare una Decollazione della santa del Reni. Sulla navata destra si apre anche la quattrocentesca cappella dei Ponziani, con volta a crociera decorata di un Dio Padre tra gli evangelisti di Antonio del Massaro, autore anche degli affreschi alle pareti ; altare con paliotto cosmatesco. Fra questa cappella e la successiva, altare di S. Benedetto con tela di Giuseppe Ghezzi.