Il design degli interni del duomo di Siena, la disposizione dei pavimenti e gli elementi principali

La disposizione degli interni ha la forma di una croce latina. La navata della Cattedrale, che inizia dall'ingresso, è particolarmente lunga e segue un codice di colori bianco e nero. È suddivisa in tre navate da un colonnato di pesanti pilastri in pietra che presentano strisce degli stessi colori. Sui capitelli di questi pilastri si trovano statue di figure allegoriche e animali. Nel punto in cui i pilastri raggiungono gli archi sovrastanti, una modanatura orizzontale di 172 busti di papi del XV e XVI secolo inizia a tracciare il cornicione superiore della navata fino al presbiterio. Sotto questi busti ci sono cornici con i volti di 36 imperatori romani e bizantini che corrono parallelamente.

Il soffitto della Cattedrale è stato progettato per assomigliare al cielo, secondo la tradizione italiana di rappresentare le zone superiori di una chiesa come i regni divini o celesti e i piani come i regni terreni. Il soffitto a volta della navata centrale è costellato e tempestato di stelle gialle su uno sfondo blu intenso, con splendidi motivi scolpiti negli archi. Si trasforma poi in una grande cupola sotto il transetto. La grande cupola esagonale è costellata di piccoli cassettoni, ognuno dei quali contiene una stella. Il tamburo sotto la cupola è circondato dalle immagini e dalle statue di 42 patriarchi e profeti. Al centro della cupola si trova la bellissima lanterna luminosa disegnata da Gian Lorenzo Bernini, attraverso la quale cade la luce del sole.

Il transetto inizia dove finisce la navata. Questi (semitransetti) sono considerati le ali della Cattedrale. Agli angoli di entrambi i transetti si trovano due cappelle più piccole. A sinistra si trova lo spazio chiuso della Cappella di San Giovanni Battista che contiene otto splendidi affreschi della Vita di San Giovanni Battista del Pinturicchio. La Cappella Chigi o Cappella del Voto si trova sulla destra. Si tratta di una cappella circolare che contiene il dipinto sacro "Madonna del Voto", un ritratto di grande importanza per i senesi. La Tomba del Cardinale Riccardo Petroni, un sarcofago riccamente decorato, è uno squisito esempio di architettura funeraria e si trova anche nel transetto.

Il presbiterio è una delle parti più sacre della Cattedrale. Si trova subito dopo il transetto ed è considerata la testa dell'edificio. Ha un'ampia abside foderata con intricati motivi dorati che la caratterizzano. Nell'abside sono affrescati i Santi e il Paradiso di Domenico Beccafumi. Sempre dello stesso artista sono le otto statue di angeli che fungono da portacandele, riempiendo l'area di luce calda. Nell'oculo sopra l'abside si trova una grande vetrata che è una copia della Vita di Maria di Duccio di Boninsegna. Il presbiterio ospita anche un magnifico altare maggiore in marmo realizzato da Baldassarre Peruzzi nel 1532.

La Porta del Cielo è una delle attrazioni principali della cattedrale. Si tratta di un corridoio sopraelevato di camere che attraversa la navata centrale e circonda la cupola della cattedrale. Fino a poco tempo fa, nessuno aveva accesso a questa galleria superiore. La Porta del Cielo è simbolicamente ispirata alla Scala di Giacobbe della Bibbia ed è stata progettata per offrire ai visitatori una vista spettacolare sulla lunga navata. Da qui si ha anche la visione più chiara del soffitto a volta a stelle e strisce e delle sue modanature e statue. Questo corridoio ha anche una parte esterna che conduce alla terrazza della chiesa.