L'interno è a tre navate, una centrale e due navatelli ai lati con cappelle perimetrali; la navata centrale è coperta con volta a botte e termina con un'abside semicircolare cinta da un deambulatorio con matroneo e preceduta dalla cupola affrescata con l'apparizione della Madonna del Rosario a San Pio V per annunciare la vittoria di Lepanto (1571) e l'istituzione della festa del Rosario; la santa Vergine appare in trono tra i Santi Domenico di Guzmán e Caterina da Siena mentre a destra in ginocchio San Pio V contempla l'apparizione. L'intero spazio sacro è arricchito da un vasto ciclo di pitture murarie. I grandi quadri delle pareti della navata centrale raccontano la storia di Gesù dall'incontro con la Samaritana all'ingresso a Gerusalemme mentre le volte sono decorate con affreschi raffiguranti scene evangeliche e con quaranta medaglioni di vescovi santi. Di straordinario valore gli affreschi di scuola giottesca, come l"Annunciazione" e la "Deposizione" oltre ad una splendida serie rappresentante la vita di Sant'Antonio Abate. Più recenti le decorazioni della navata centrale: dieci riquadri con episodi evangelici di Casimiro Radice realizzati a fine Ottocento e 14 pannelli bronzei risalenti al 1969, raffiguranti la Via Crucis, ad opera di Enrico Manfrini, che pochi anni dopo si dedicò alla progettazione dei portoni d'ingresso. Sulle pareti della navata trovano posto anche alcuni dipinti attribuiti a Luigi Tagliaferri.