La base de la Capilla sigue una estructura elipsoidal, siguiendo los cimientos circulares iniciales colocados en tiempos de Ascanio Vitozzi. Los muros curvos están decorados con mármol negro de Fabrosa, que contribuye al ambiente sombrío, y presentan arcos prominentes y pilastras verticales. Las pilastras de Guarini tienen capiteles del orden corintio que están artísticamente rodeados por una corona de espinas y una flor de la pasión en el centro de la que emergen tres clavos como los estigmas de una flor real. El suelo es de incrustaciones de mármol dispuestas en círculos concéntricos.

Antes de la cúpula de la capilla está el tambor truncado que se asienta sobre los muros de las capillas. Consta de tres grandes arcos que crean lunetos y pechinas en los espacios intermedios. Cada luneta y pechina tiene una ventana circular por la que entra la luz y bañan de sol la capilla. Los arcos están grabados con clavos de la Pasión, y en los lunetos hay motivos de las cruces griega y de Jerusalén y estrellas.

El segundo nivel del tambor alarga la base de la cúpula, llevando la altura total de la estructura a otro nivel. La base es la de una pasarela anular sobre la que se apoyan altas ventanas arqueadas. La luz que entra por las ventanas ilumina el tambor y la cúpula que hay sobre él. Entre los arcos hay nichos decorativos. Sobre ellos hay motivos geométricos de naturaleza simbólica.

La cúpula es posiblemente la parte más impresionante de la capilla. Compuesta por seis niveles de seis arcos superpuestos cada uno, la cúpula se eleva hacia arriba y culmina en una estrella dorada suspendida en lo alto. Cuando se mira desde abajo, la cúpula se asemeja a un patrón geométrico casi trascendental de seis hexágonos alineados unos encima de otros, con la luz divina derramándose a través de las hendiduras de las ventanas.

En el centro de la capilla hay una plataforma con barandillas abalaustradas. Sobre él se alza un altar de mármol negro y decorado con madera dorada, obra del arquitecto e ingeniero piamontés Antonio Bertola. El Sudario de Turín se colocó en el centro del altar y dentro de una envoltura de cristal. Una rejilla dorada, casi como una jaula, rodea la carcasa. . El altar se coloca de forma que permita ver la reliquia desde los lados. Gran parte del altar quedó destruido en el incendio y se ha visto sometido a intensas restauraciones.

En el siglo XIX, se instalaron monumentos dedicados a los miembros de la familia Saboya en los huecos de los muros arqueados de la capilla. Entre las figuras figuran las del primer duque de Saboya, Amadeo VIII, Manuel Filiberto, Tomás de Saboya y Carlos Manuel II, bajo cuyo mandato se terminó gran parte de la capilla.