A base da capela segue uma estrutura elipsoidal, seguindo a fundação circular inicial estabelecida na época de Ascanio Vitozzi. As paredes curvas são decoradas com mármore preto Fabrosa, que contribui para o ambiente sombrio e apresenta arcos proeminentes e pilastras verticais. As pilastras de Guarini têm capitéis da ordem coríntia que são artisticamente circundados por uma coroa de espinhos e uma flor da paixão no centro, onde três pregos emergem como os estigmas de uma flor real. O piso é feito de mármore incrustado disposto em círculos concêntricos.

Precedendo a cúpula da capela está o tambor truncado que fica no topo das paredes das capelas. Ele consiste em três grandes arcos que criam lunetas e pendentes nos espaços entre eles. Cada luneta e pendente tem uma janela circular pela qual a luz entra e ilumina a capela com a luz do sol. Os arcos são gravados com pregos da Paixão, e nas lunetas há motivos das cruzes e estrelas gregas e de Jerusalém.

O segundo nível do tambor alonga a base do domo, elevando a altura total da estrutura a outro nível. A base é a de uma passarela circular sobre a qual se apóiam janelas altas em arco. A luz que entra pelas janelas ilumina o tambor e a cúpula acima dele. Entre os arcos há nichos decorativos. Acima deles, há motivos geométricos de natureza simbólica.

A cúpula é possivelmente a parte mais impressionante da capela. Composta por seis níveis de seis arcos sobrepostos cada, a cúpula se eleva e culmina em uma estrela dourada suspensa no topo. Quando vista de baixo, a cúpula se assemelha a um padrão geométrico quase transcendental de seis hexágonos alinhados uns sobre os outros, com luz divina entrando pelas fendas das janelas.

No centro da capela há uma plataforma com trilhos balaustrados. Um altar feito de mármore preto e decorado com madeira dourada é encimado pelo arquiteto e engenheiro piemontês Antonio Bertola. O Sudário de Turim foi posicionado no centro do altar e dentro de um invólucro de vidro. Uma grade dourada, quase como uma gaiola, envolve o invólucro. . O altar é colocado de forma a permitir a visualização da relíquia pelas laterais. Grande parte do altar foi destruída no incêndio e passou por intensas restaurações.

No século XIX, monumentos dedicados aos membros da família Savoy foram instalados nos recessos das paredes em arco da capela. As figuras incluem as do primeiro duque de Savoy, Amadeus VIII, Emmanuel Philibert, Thomas de Savoy e Charles Emmanuel II, sob o qual grande parte da capela foi concluída.