Kapellets bas följer en ellipsoidisk struktur, efter den ursprungliga cirkulära grunden som lades på Ascanio Vitozzis tid. De böjda väggarna är dekorerade med svart Fabrosa-marmor som bidrar till den dystra atmosfären och har framträdande bågar och vertikala pilastrar. Guarinis pilastrar har korintiska kapitäl som är konstnärligt omringade av en törnekrona och en passionsblomma i mitten där tre spikar sticker ut som stigmata från en riktig blomma. Golvet består av inlagd marmor som är placerad i koncentriska cirklar.

Före kapellets kupol finns den trunkerade trumman som sitter ovanpå kapellets väggar. Den består av tre stora bågar som skapar lunetter och pendentiv i mellanrummen. Varje lunett och pendentiv har ett cirkulärt fönster genom vilket ljus tränger in och sköljer kapellet i solljus. Bågarna är graverade med passionsspikar och på lunetterna finns motiv av grekiska kors och Jerusalemkors samt stjärnor.

Den andra nivån på trumman förlänger kupolens bas och tar den totala höjden på strukturen till ytterligare en nivå. Basen utgörs av en ringgång som bärs upp av höga välvda fönster. Ljuset genom fönstren belyser trumman och kupolen ovanför den. Mellan bågarna finns dekorativa nischer. Ovanför dem finns geometriska motiv som är symboliska till sin natur.

Kupolen är kanske den mest imponerande delen av kapellet. Kupolen består av sex nivåer med sex överlappande bågar vardera, tornar upp sig och kulminerar i en upphängd gyllene stjärna högst upp. När man tittar på kupolen underifrån liknar den ett nästan transcendentalt geometriskt mönster av sex hexagoner som är placerade ovanpå varandra, med gudomligt ljus som strömmar in genom fönstrets sprickor.

I mitten av kapellet finns en plattform med balustradräcken. På den står ett altare av svart marmor och dekorerat med förgyllt trä, skapat av den piemontesiske arkitekten och ingenjören Antonio Bertola. Turinsvepningen var placerad i mitten av altaret och i ett glashölje. Ett gyllene galler, nästan som en bur, omger höljet. . Altaret är placerat så att det är möjligt att se reliken från sidorna. En stor del av altaret förstördes i branden och har sedan dess genomgått omfattande restaureringar.

På 1800-talet installerades monument tillägnade medlemmarna av Savoy-familjen i fördjupningarna i kapellets välvda väggar. Bland figurerna finns den förste hertigen av Savojen, Amadeus VIII, Emmanuel Philibert, Thomas av Savojen och Karl Emmanuel II, under vars ledning en stor del av kapellet färdigställdes.