El interior la iglesia ha conservado en general su aspecto medieval. Lleva una planta longitudinal y un techo con vigas de madera decoradas que recuerdan el Arca de Noé, el Arca de la salvación. La tipología con la nave única responde a la exigencia de una acústica perfecta para que todos pudiesen participar a las oraciones, escuchar las prédicas y las enseñanzas de la dotrina cristiana.
Muchas veces en estas iglesias se encuentra el ábside que termina rectilíneo y cubierto con una bóveda a crucería cuya decoración conteniendo un cielo de estrellas hace pensar a la Creación. A su interior se encuentra un coro de madera realizado en 1687: éste uno de los elementos que caracterizan la vida carmelitana ya que aquí los religiosos se reunían para rezar las oraciones del día y para participar a las ceremonias litúrgicas. Dos puertas de madera, intarseadas con las tres virtudes teologales Fe, Esperanza, Caridad y con la alegoría de la religión, separan el coro del aula, lugar donde se recogen los fieles.
El peldaño que se desarrolla a lo largo de las paredes de la nave servía como espacio para pasar y para acceder a los altares laterales o a la capilla del Santísimo Sacramento cuando la iglesia estaba llena de gente.
También era un elemento de separación entre el espacio destinado a la asamblea y el espacio sacro de los altares laterales ya no se debe olvidar que aquí también se celebraba la Santa Misa y se rezaba.
De los muchos altares erigidos en la iglesia durante los siglos pasados, sólo tres se han conservado hasta hoy en día : uno está largo la pared de izquierda cerca del ingreso lateral y conserva en la parte superior la Ascensión de Jesús, realizada por
Girolamo del Pacchia; los otros dos, en la pared derecha, presentan un fresco con la Asunción de la Virgen probablemente de Benedetto di Bindo y la maravillosa pala con San Miguel Arcangel que despide a los ángeles rebeldes, obra maestra del Beccafumi; al interior de este último altar se conservan las reliquias del Beato Franco Lippi de Grotti.
Siguiendo a lo largo de la pared derecha se encuentra el ingreso de la Capilla del Santísimo Sacramento donde los carmelitanos, muy devotos a la Divina Eucaristía, pasaban gran parte de su tiempo en adoración. Un segundo altar fue construido en el lado derecho de la capilla para conservar un tabernáculo eucarístico y una pintura en tabla al centro de la cual se encuentra Santa Teresa de Lisieux, particularmente devota al SS. Sacramento.
Arriba del ingreso de la capilla se encuentra el coro alto, utilizado para las oraciones nocturnas o en el invierno y pudiéndose llegar directamente de los dormitorios.
Por la necesidad de difundir mejor la luz en el aula, a lo largo de las paredes abrieron ocho ventanas, cuatro de las cuales hoy han quedado ciegas después de la construcción del claustro mayor. La grande vidriera al interior del ábside fue realizada, así como las otras, por los dos florentinos Ulisse y Sergio De Matteis, y está decorada con la representación de la Virgen del Carmen en trono con el Niño. La otra, más pequeña representa la insignia de la Congregación del Sufragio que administró la iglesia desde 1873 durante casi cien años. Arriba del ábside el grande rosetón lleva la imagen del Redentor Benediciente y alrededor los símbolos de los cuatro Evangelistas. El ojo de la fachada representa el blasón del Orden carmelitano y alrededor el de los benefactores del monasterio.