All’interno è di particolare interesse la cappella Cesa, eretta nel 1485, con la grande pala lignea di Matteo Cesa (1425-1495) e un ciclo di affreschi attribuito in passato a Jacopo da Montagnana (1440-1499).
Alla sinistra del transetto si apre la Cappella dell’Addolorata, del 1737, con la statua di Giovan Battista Alchini (XVIII sec.), un allievo del Brustolon, che tradisce però chiari influssi d’oltralpe. Alle pareti quadri di Cesare Vecellio (1521-1601), Nicolò de Stefani (1520-1599), Francesco Frigimelica (1570-1649), Antonio Lazzarini (1672-1732) e altri.
La chiesa contiene due grandi angeli reggilampada ed un crocifisso di Andrea Brustolon (1662-1732), provenienti da altre chiese scomparse di Belluno. Ugualmente, il portale gotico sul lato sud, con le statue dei santi protettori di Belluno, venne trasferito nel 1893 dalla soppressa chiesa di S. Maria dei Battuti.
L'edificio, consacrato nel 1497, presenta caratteri distintivi del gotico e nel contempo ricordi romanici soprattutto nella divisione interna degli spazi che sono fortemente suggestivi grazie all’utilizzo della pietra calcarea bianca insieme alla pietra rossa di Castellavazzo.
Intorno al 1480 si scavarono le fondamenta del campanile che presenta un grande orologio con il quadrante in pietra originale diviso in 24 ore, all’uso tedesco del XVI secolo e in tale occasione venne ritrovato il sarcofago romano di Flavio Ostilio e della moglie, oggi custodito nel cittadino Palazzo Crepadona, sede della Biblioteca Civica.
