Nell'interno si trovano diverse sale di rappresentanza e uffici dell'amministrazione comunale. L'atrio d'ingresso, finemente voltato, viene sporadicamente utilizzato per alcune esposizioni temporanee. Al secondo piano si trovano tre sale di particolare interesse artistico. La prima di queste, la sala Rossa, così chiamata per il colore della tappezzeria che ne riveste le pareti, presenta l'affresco al soffitto "Pisa che rende omaggio a San Ranieri" di Giuseppe e Francesco Melani. La sala delle Baleari è la più grande e riccamente decorata, presenta infatti un elegante soffitto a cassettoni e gli affreschi celebranti le vittorie marittime della Repubblica di Pisa. Nello specifico si trovano ai lati "La conquista delle Baleari" e "L'impresa di Sardegna", entrambi di Giacomo Fardelli e realizzati nel 1693, celebranti le imprese pisane rispettivamente nella spedizione alle isole Baleari e nelle spedizioni pisano-genovesi per la Sardegna. L'affresco centrale, l"'Espugnazione di Gerusalemme ad opera dei Pisani", fu realizzato da Cesare Dandini nel 1695 per celebrare la conquista di Gerusalemme del 1099 durante la Prima crociata. Infine, nella sala degli Stemmi, dove vengono abitualmente svolti i matrimoni civili, presenta gli stemmi araldici delle varie famiglie al comando della città, compresi i podestà e sindaci dopo l'Unità d'Italia.