L’interno della Chiesa è stato realizzato in pieno Quattrocento ed è di estrema semplicità. La tradizione gotica non fu cancellata e se ne possono riconoscere ancora gli elementi caratteristici negli archi, leggermente acuti, nei pilastri a fascio e nei capitelli a fiorami. Anche la pianta rientra nella tradizione gotica francese, che esalta la semplice e pura navata. La Chiesa è costituita da due campate rettangolari e da un presbiterio con abside e coro a forma semidecagonale. Le volte a costole poggiano su semi pilastri a fascio, con capitelli corinzi dai folti fogliami. Nell’ambiente interno, di raffinato gusto tardo gotico, tutto è nitido, raccolto, elegante e gentile: dalle semplici e pacate linee architettoniche alle sobrie policromie dei costoloni delle volte, nelle cui decorazioni si trovano fregi e intrecci geometrici all’interno dei quali è possibile ritrovare immagini di santi ed altri personaggi.

  Le pareti interne sono intonacate e sono interrotte da quattro piloni in pietra formati da tre semi ottagoni, alternati da due semicolonne, stretti insieme e posti su un basamento attico. Altri due semipilastri si trovano addossati agli angoli tra la facciata e le pareti. Incassate negli angoli dell’abside semiottagonale si trovano, infine, quattro esili colonne.

  Sulla controfacciata si trovano la lapide del Professor Luigi Cittadini, un crocifisso posto sopra il portone, un’acquasantiera in marmo del sedicesimo secolo e un bassorilievo in marmo bianco raffigurante un giovane vestito con una tunica mentre abbraccia un’urna funeraria.

  Nella parete di destra si trova il monumento funebre del Dott. Giacinto Subiano. Il bassorilievo, di buona fattura, raffigura il Buon Samaritano e fu eseguito da Luigi Gatteschi, nella seconda metà del diciannovesimo secolo. Nella stessa parete, accanto al primo pilastro, si può ammirare un frammento di affresco, opera di Lorentino d’Andrea, datato 1480 circa. L’affresco raffigura Papa Sisto IV in trono con il Cardinal Gonzaga e il Cardinale Francesco Todeschini Piccolomini, futuro Papa Pio III, mentre decreta l’indulgenza ai frequentatori del santuario di S.Maria delle Grazie. Intorno, genuflessi, troviamo quattro operai del tempo e, isolato sulla destra, un personaggio inginocchiato, forse autoritratto del pittore. Le condizioni dell’affresco sono dovute alle ben cinque imbiancature subite nel corso del tempo prima che, ad inizio Novecento, l’opera fosse riportata alla luce per iniziativa dell’Arch. Giuseppe Castellucci. L’affresco è stato restaurato nel 2012 in memoria di Livia e Giovanni De Luca e Vasco Morandi. Sulla parete destra si trovano, inoltre, un confessionale ligneo e due statue, una raffigurante Maria col bambin Gesù, posta davanti alla porta laterale, e l’altra San Giuseppe col bambino situata in una nicchia gotica.

  Nella parete di sinistra si trova la lapide marmorea di Anna Subiano, moglie del Dott. Subiano, il cui bassorilievo raffigura il sarcofago della defunta attorniato dal marito e dai figli piangenti, realizzato presumibilmente ad opera di Ranieri Bartoli nel diciannovesimo secolo. Anche su questa parete, simmetricamente al lato destro, si trova un confessionale ligneo.

  Nell’abside si trova il coro ligneo del 1747 (come riportato con incisione sul legno in numeri romani:  AD MDCCXLVII) realizzato da Gaetano e Filippo Gignoli. Al centro della parete di fondo è situato lo stemma dei Carmelitani Scalzi in legno intagliato e dipinto, sormontato da un busto ligneo di S. Teresa d’Avila. Il coro ligneo è stato restaurato nel 2012 in memoria di Marta Morelli, Nicole Tauziet, Mary Gambassini.  Sopra al moderno organo, si può ammirare un crocifisso dipinto da Franco Fedeli nella seconda metà del Novecento. Sul lato sinistro del presbiterio si aprono due porte: una di accesso alla sacrestia e l’altra al Convento.