All’interno la chiesa ha mantenuto, nel suo complesso, l’aspetto medievale. Ha una pianta longitudinale ed un soffitto a travi lignee decorate, possibile rimando all’Arca di Noè, l’arca della salvezza. La tipologia ad aula unica risponde all'esigenza di un'acustica perfetta per dare modo a tutti di partecipare alle preghiere, ascoltare le prediche e gli insegnamenti della dottrina cristiana.
Ricorrente in molti esempi di questo tipo di chiese è la terminazione rettilinea dell’abside, coperta con una volta a crociera la cui decorazione, con un motivo a cielo stellato, rimanda alla Creazione. Al suo interno si trova il coro ligneo, realizzato nel 1687: esso è uno degli elementi caratterizzanti la vita carmelitana poiché qui i religiosi si riunivano per le preghiere diurne e per partecipare alle cerimonie liturgiche. Due porte lignee, intarsiate con le tre virtù teologali Fede, Speranza, Carità e con l’allegoria della religione, separano il coro dall’aula, luogo dove si raccolgono i fedeli.
Il gradino che corre lungo le pareti della navata serviva sia come zona di scorrimento, per accedere agli altari laterali o alla cappella del Santissimo Sacramento quando la chiesa era affollata, sia come elemento di separazione tra lo spazio destinato all’assemblea e quello sacro degli altari laterali, poiché non bisogna dimenticare che anche qui si celebrava la Santa Messa o si pregava.
Dei molti altari laterali eretti nella chiesa nei secoli scorsi, solo tre si sono conservati fino ad oggi: uno si trova lungo la parete sinistra, accanto all’ingresso laterale, ed è sormontato dall’Ascensione di Gesù, realizzata da
Girolamo del Pacchia; gli altri due, addossati alla parete destra, ospitano l'uno l’affresco con l'Assunzione della Vergine attribuito a Benedetto di Bindo e l'altro la bellissima pala raffigurante San Michele Arcangelo che scaccia gli angeli ribelli, capolavoro del Beccafumi; all'interno di quest'ultimo altare sono inoltre conservate le reliquie del Beato Franco Lippi da Grotti.
Proseguendo lungo la parete destra, si trova l’ingresso della Cappella del Santissimo Sacramento dove i carmelitani, molto devoti alla Divina Eucarestia, trascorrevano gran parte del loro tempo in adorazione. Un secondo altare fu eretto sul lato destro della cappella per porvi un altro tabernacolo eucaristico ed un dipinto su tavola, al centro del quale è ritratta Santa Teresa di Lisieux, particolarmente devota al SS. Sacramento.
Sopra l’ingresso della cappella si trova il coro alto, utilizzato per le preghiere notturne o invernali dei frati, raggiungibile direttamente dai dormitori.
Per la necessità di diffondere meglio la luce nell’aula, lungo le pareti si aprivano otto finestre, quattro delle quali oggi sono rimaste cieche a causa della costruzione del chiostro maggiore. La grande vetrata all’interno dell’abside, realizzata, come tutte le altre, dai fiorentini Ulisse e Sergio De Matteis, è decorata con la rappresentazione della Vergine del Carmine in trono con il Bambino, mentre l’altra, più piccola, riproduce l’insegna della Congregazione del Suffragio, che gestì la chiesa dal 1873 per quasi cento anni. Sopra l’abside, il grande rosone reca al centro l’immagine a mezzobusto del Redentore Benedicente e intorno i simboli dei quattro Evangelisti. L’occhio della facciata presenta invece lo stemma dell’Ordine carmelitano e intorno quelli dei benefattori del convento.