L'interno a navata unica è diviso da un muro trasversale fino alla linea d'imposta della volta, in modo da definire una zona destinata al pubblico e una zona claustrale riservata alle monache.
Nell'arco di quattro anni (1568-1589) Antonio e Vincenzo Campi decorarono interamente la volta nelle due zone della chiesa con uno spiccato senso dell'Horror Vacui tipico del Manierismo cinquecentesco.
L'insieme si articola su effetti illusionistici di grande effetto scenografico capaci di creare un architettura irreale molto movimentata.
L'aula pubblica ha una volta con una prospettiva più regolare, quella claustrale denota una curiosa moltiplicazione di punti di fuga e di distanze del punto di vista.

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