La cattedrale ha il piano del presbiterio rialzato sopra la cripta e tre navate suddivise da colonne, con copertura a capriate in legno nella navata centrale e a volta in quelle laterali.
La navata destra originariamente era occupata dalla Cappella di san Jacopo, eretta dal vescovo Atto alla metà del XII secolo per depositarvi la reliquia di San Giacomo portata da Santiago di Compostela. In origine la cappella, che oggi non esiste più, custodiva l'Altare d'argento di San Jacopo.
Cappella del Santissimo Sacramento o di San Donato
La cappella, che ospita il tabernacolo, prende nome di Cappella di San Donato dal dipinto di Lorenzo di Credi Madonna in trono fra i SS. Giovanni Battista e Donato (1477/78- 1486), posto sulla parete destra. Il dipinto era stato in origine commissionato ad Andrea del Verrocchio dagli esecutori testamentari di Donato De' Medici. La tela, lasciata incompiuta dal Verrocchio, venne portata a termine da Lorenzo di Credi. Il vescovo a lato della Madonna è stato identificato anche come San Zeno.
Al centro: Assunzione della Vergine di G. Battista Paggi (1590-1600).
All'entrata della cappella è posta la lastra tombale marmorea del Vescovo Donato De' Medici (1475), attribuita ad Antonio Rossellino.
Cappella di S.Rocco
La cappella ospita l'urna di Sant'Atto (1952) di Cleto Lapi. Il gradino d'argento su cui è posta l'urna , datato 1855, è opera di Silvestro Mariotti da Pontedera.
Sopra l'urna è il dipinto I SS. Baronto e Desiderio di Mattia Preti, di data posteriore al 1645.
Cappella del Crocifisso
L'altare di San Jacopo, in lamina d'argento a sbalzo, era in origine posto nella cappella omonima. Dopo la demolizione della cappella nel 1785 per ordine del vescovo Scipione de' Ricci venne trasferito nella cappella di San Rocco e quindi, dal 1953, nella Cappella del Crocifisso. L'altare, consacrato nel 1399, consta di tre paliotti e di una pala posta sopra la mensa.
Fu iniziato nel 1287, quando ad Andrea di Jacopo d'Ognabene venne commissionato un dossale con una Madonna col Bambino fra angeli ed apostoli per l'altare della cappella di San Jacopo. L'artista eseguì anche il paliotto anteriore (con Storie del Nuovo Testamento, un Cristo in Maestà fra Maria e San Jacopo e tre Storie di San Jacopo), che venne terminato nel 1316.
Giglio Pisano eseguì la grande statua argentea a tutto tondo raffigurante San Jacopo in trono (1349-1353), commissionata per ringraziamento per la fine della grande pestilenza del 1348.
Leonardo di Ser Giovanni e Francesco Niccolai eseguirono i due paliotti laterali con Storie dell'Antico Testamento e Storie di San Jacopo fra il 1361 ed il 1371.
Gli Apostoli, santa Eulalia, il vescovo Atto, san Giovanni Battista e Maria Salomé sono opera di Piero d'Arrigo Tedesco (1380-1390); il Cristo in Maestà, Sant'Antonio Abate, Santo Stefano e la cuspide sono opera di Nofri di Buto e Atto di Piero Braccini (1394-1398), su cartone di Giovanni di Bartolomeo Cristiani.
Filippo Brunelleschi decorò un lato del dossale con due mezzi busti di profeti (1401); gli altri lati del dossale vennero decorati da Piero d'Antonio da Pisa (I Profeti Daniele e David e I santi Giusto, Ambrogio e Leonardo (1447-1456) e da Domenico da Imola.
Cappella del Giudizio Universale
La cappella contiene frammenti di un affresco che rappresenta il Giudizio Universale dovuto a Giovanni da Ponte (1420-1425).
Cripta
La cripta al di sotto del presbiterio esisteva già all'interno dell'edificio romanico. Originariamente era scandita da una serie di colonne ed aveva tre absidi. Con la costruzione della tribuna barocca il vano centrale fu distrutto e quelli laterali interrati.
Durante il restauro degli anni Sessanta sono stati ritrovati due capitelli, dei frammenti di colonna, dei frammenti di affreschi del XII secolo, le fondamenta dell'absidiola meridionale del coro romanico e due lastre marmoree della fine del XII secolo.
Controfacciata
Sulla controfacciata della cattedrale, a destra dell'ingresso centrale, vi è l'arca di Sant'Atto, con tre bassorilievi in marmo eseguiti nel 1337 dalla bottega di Giovanni di Agostino da Siena (Sant'Atto benedicente fra due angeli; Pellegrini che ricevono a Compostella le reliquie di San Jacopo; Pellegrini che consegnano le reliquie di San Jacopo a Sant'Atto).
L'edicola, la lapide, l'iscrizione in latino e il paliotto di marmi e madreperla sono invece opera di Leonardo Marcacci e datati 1786.
Nel 1337 il corpo di Sant'Atto fu rinvenuto nella chiesa di San Giovanni in Corte. Venne quindi traslato nell'arca, dove rimase dal 1337 al 1786 per essere poi trasferito nella cappella alla destra dell'altare maggiore.
A sinistra dell'ingresso centrale è posto il fonte battesimale di Andrea Ferrucci da Fiesole e Jacopo del Mazza su disegno di Benedetto da Maiano. L'opera, del 1497, è circondata da un'edicola al cui interno è scolpito il Battesimo di Cristo. Ai lati: Nascita di San Giovanni Battista, Predicazione nel deserto, Danza di Salomè e Decollazione. Sopra l'ingresso centrale è l'affresco della lunetta del portale che rappresenta San Zeno, di autore ignoto del XIII secolo.
Vicino all'ingresso laterale destro: affreschi con figure di Virtù (1347) di Bonaccorso di Cino.
Vicino all'ingresso laterale sinistro: tomba del Vescovo Baronto Ricciardi, di autore ignoto del XIV secolo.
Navate
Nella navata destra della cattedrale sono presenti le seguenti opere:
-Trittico con Crocifissione tra la Madonna, S. Giovanni ed i SS. Jacopo e Girolamo (1424) di autore ignoto
-Copia dell'Annunciazione della SS. Annunziata di Firenze di Domenico Cresti detto il Passignano
-Crocifisso su tavola realizzato nel 1274 da Coppo di Marcovaldo e dal figlio Salerno. Ai lati sono rappresentati sei episodi della vita di Cristo (Cattura di Gesù, Cristo davanti ai sacerdoti, Flagellazione, Deposizione dalla croce, Deposizione di Gesù nel sepolcro, Le tre Marie al sepolcro).
-Monumento sepolcrale di Cino Sinibuldi da Pistoia (1337) attribuito ad Agostino di Giovanni.
La navata sinistra presenta:
-Monumento al cardinale Niccolò Forteguerri, commissionato ad Andrea del Verrocchio dal Consiglio Generale di Pistoia nel 1473. Dopo la morte del Verrocchio (1488), Lorenzo Lotti detto il Lorenzetto viene incaricato di terminare il monumento: egli scolpisce la statua della Carità. Successivamente, nel 1753, viene realizzata da Gaetano Masoni l'incorniciatura del monumento, la cassa con il busto del defunto e i due geni con le fiaccole rovesciate.
-Madonna delle Porrine, affresco di autore ignoto del XIV secolo
-Statua di Papa Leone XI (Alessandro De' Medici, Vescovo di Pistoia nel 1573), eseguita da autore ignoto nel 1618.
-Tomba del Vescovo Federico Alamanni (1776), di autore ignoto.
-Martirio di San Bartolomeo, dipinto di autore ignoto del XVII secolo.
Presbiterio
La volta del presbiterio, dietro l'altare maggiore, è decorata da affreschi di Domenico Cresti, detto il Passignano con Il Padre Eterno in gloria, Caduta degli angeli ribelli, Caduta di Adamo e Annunciazione (1602).
L'organo è di Luigi e Benedetto Tronci (1793)
Nell'abside è il dipinto di Cristofano Allori La Resurrezione (1606-1610), a fianco della quale sono due statue in argilla argentata di San Zeno e San Jacopo (1603) attribuite alla scuola del Giambologna.
A destra dell'altare maggiore è il dipinto La Pentecoste (1602), di Gregorio Pagani; a sinistra vi è il dipinto di Benedetto Veli L'Ascensione (1606).
A sinistra, su un pilastro della navata centrale è l'affresco della Madonna col Bambino di Salerno di Coppo (1475). A destra vi è un candelabro in bronzo del 1442, opera di Maso di Bartolomeo.
Sempre nel presbiterio, in corrispondenza della navata sinistra, vi è il cenotafio del Vescovo Gherardo Gherardi (1703) di autore ignoto.
In corrispondenza della navata destra si trova la tomba del Vescovo Alessandro Del Caccia (1650) e il monumento sepolcrale del Vescovo Leone Strozzi (1695), entrambe di autore ignoto
Sulla navata centrale, a destra, pulpito realizzato su disegno di Giorgio Vasari (1560) e, vicino all'ingresso laterale destro, un'acquasantiera con i busti degli Apostoli Pietro, Paolo, Giovanni e Giacomo attribuita alla bottega di Nicola Pisano, che una volta faceva parte della Cappella di San Jacopo.
