La chiesa è suddivisa in nove campate, contraddistinte da quattro colonne che formano al centro uno spazio quadrato e reggono la cupola. L’illuminazione interna, che crea un ricco gioco di luci con la decorazione musiva del pavimento, delle volte e del Santuario, è fornita dalle otto finestre della cupola e dalle finestre, ad arco ogivale, poste nelle campate laterali e nelle absidi, che hanno una maggiore ampiezza nei bracci della croce, rispetto a quelle dei quattro angoli. La luce penetra e si staglia sui mosaici che, ascrivibili a maestranze bizantine, ricoprono gran parte delle pareti e delle volte.
Tutto l’ambiente sacro, rialzato di 26 centimetri, era separato dal resto della chiesa dall’iconostasi, una recinzione, tipica del culto greco, composta da lastre in marmo e allineata alle colonne. Da questo spazio nascosto un profumo intenso di incenso si propaga e raggiunge ogni angolo della chiesa.
Le tessere della pavimentazione della Martorana hanno colori intensi e la freddezza durevole del marmo. La pavimentazione della Martorana si compone di undici pannelli in opus sectile, decorati a quinconce e con motivi di matrice geometrica. Tutto il pavimento è in marmo bianco, porfido, serpentino e giallo antico e si distingue per la forte adesione al naturalismo tipico dell’area bizantina, ripreso dalle tecniche cosmatesche e poi siciliane.
La melodia dei Canti basiliani accoglie il fedele che, già nel nartece, incontra i due pannelli musivi con le scene che rappresentano l’ammiraglio Giorgio D’Antiochia, inginocchiato davanti la Madonna e Ruggero II incoronato direttamente dalle mani di Cristo. Il suono e il ritmo diventano più intensi e veloci: attraverso il canto la preghiera raggiunge direttamente Dio e allieta gli animi dei fedeli che, con le mani giunte, osservano il grandioso Cristo Pantocratore della cupola.