La base de l'horaire suit une structure ellipsoïdale, suivant la fondation circulaire initiale posée à l'époque d'Ascanio Vitozzi. Les murs incurvés sont décorés de marbre noir Fabrosa qui ajoute à l'ambiance sombre et présente des arcs proéminents et des pilastres verticaux. Les pilastres de Guarini ont des chapiteaux d'ordre corinthien qui sont artistiquement entourés d'une couronne d'épines et d'une fleur de la passion au centre de laquelle trois clous émergent comme les stigmates d'une véritable fleur. Le sol est constitué d'incrustations de marbre disposées en cercles concentriques.

Précédant le dôme de la chapelle, le tambour tronqué qui se trouve au sommet des murs des chapelles. Il se compose de trois grandes arches qui créent des lunettes et des pendentifs dans les espaces intermédiaires. Chaque lunette et pendentif est doté d'une fenêtre circulaire par laquelle la lumière pénètre et illumine la chapelle. Les arcs sont gravés de clous de la Passion, et sur les lunettes figurent des motifs de croix grecque et de croix de Jérusalem, ainsi que des étoiles.

Le deuxième niveau du tambour allonge la base du dôme, portant la hauteur totale de la structure à un autre niveau. La base est celle d'un chemin de ronde sur lequel s'appuient de hautes fenêtres cintrées. La lumière des fenêtres éclaire le tambour et le dôme qui le surplombe. Entre les arcs se trouvent des niches décoratives. Au-dessus d'eux se trouvent des motifs géométriques de nature symbolique.

Le dôme est probablement la partie la plus impressionnante de la chapelle. Composé de six niveaux de six arcs superposés chacun, le dôme s'élève vers le haut et culmine dans une étoile dorée suspendue au sommet. Vu d'en bas, le dôme ressemble à un motif géométrique presque transcendantal de six hexagones alignés les uns sur les autres, la lumière divine se déversant à travers les crevasses fenêtrées.

Au centre de la chapelle se trouve une plate-forme avec des rails à balustrade. Un autel en marbre noir et décoré de bois doré y est surmonté par l'architecte et ingénieur piémontais Antonio Bertola. Le Suaire de Turin a été placé au centre de l'autel, à l'intérieur d'une enveloppe de verre. Une grille dorée, semblable à une cage, entoure le boîtier. . L'autel est placé de telle sorte qu'il permette de voir la relique en partant des côtés. Une grande partie de l'autel a été détruite dans l'incendie et a fait l'objet d'intenses restaurations.

Au XIXe siècle, des monuments dédiés aux membres de la famille de Savoie ont été installés dans les renfoncements des murs voûtés de la chapelle. Les figures comprennent celles du premier duc de Savoie, Amadeus VIII, d'Emmanuel Philibert, de Thomas de Savoie et de Charles Emmanuel II, sous lequel une grande partie de la chapelle a été achevée.