La fiancata è invece caratterizzata da un portale dell'Alessi del 1538 sopra il quale, in una nicchia, è collocato il Crocifisso ligneo postovi dai perugini nel 1540 durante la guerra del sale contro papa Paolo III. A destra, proseguendo lungo il fianco, si trova il  pulpito da cui, secondo la leggenda, San Bernardino da Siena, tra il 1425 e il 1427, predicò ai perugini; notevole anche la statua di papa Giulio III in bronzo, opera del XVI secolo di Vincenzo Danti.
L'interno, con tre navate di cinque campate ciascuna separate da possenti pilastri, è completato da crociera, bracci del transetto e cinque cappelle absidali.
Le volte sono coperte da fitti motivi decorativi che costituiscono una vera e propria antologia della pittura del Settecento.
Tra le opere conservate nella chiesa si ricordano in controfacciata il  sarcofago del vescovo Giovanni Andrea Baglioni opera di Urbano da Cortona (1451) e la grande tela di Giovanni Antonio Scaramuccia con la Vergine fra i patroni della città e i Santi Agostino, Domenico e Francesco. Per la devozione particolarmente importante è la cappella del Sant'Anello, decorata sull'altar maggiore con una tela di Jean-Baptiste Wicar che sostituisce un dipinto di Pietro Perugino dello stesso soggetto oggi conservato nel museo di Caen mentre all'inizio della navata destra, dietro la cancellata in ferro battuto della fine del XV secolo, è la Deposizione della Croce, di Federico Barocci (1569). 
Un elegante portale quattrocentesco alla destra del transetto immette poi in sacrestia dove si conserva uno dei più bei cicli manieristi di Perugia. Dall'oscurità dell'abside ettagona emergono i colori delle vetrate e il coro ligneo intagliato nel 1486 opera di Giuliano da Maiano e Domenico del Tasso.
Nella navata sinistra degni di nota sono i resti dell'altare della Pietà, scolpito da Agostino di Antonio di Duccio nel 1473 e l'altare del Gonfalone ove è collocato lo stendardo professionale eseguito da Berto di Giovanni nel 1526 in occasione  di una grave pestilenza che costituisce uno dei più completi documenti iconografici di Perugia prima della costruzione della rocca Paolina e delle conseguenti trasformazioni urbanistiche.
Nel chiostro della cattedrale ha sede il museo Capitolare di San Lorenzo.

Nella chiesa si conserva la venerata reliquia dell'anello nuziale della Vergine, sottratto agli abitanti di Chiusi nel 1473. L'anello, inserito in un apposito reliquiario e racchiuso in una cassaforte con sette serrature, fu posto ad otto metri di altezza entro vano protetto da inferriata dorata protetta da altre quattro chiavi. Il sant'Anello viene mostrato solo due volte all'anno, tra 29 e 30 luglio e nella penultima domenica di gennaio, quando si celebra la festa dello Sposalizio e vengono benedetti gli anelli nuziali.