L'interno della chiesa, con pianta a croce latina, è a tre navate con transetto e cappelle laterali; di queste, tre si aprono su ciascuna delle due navate laterali, quattro si aprono sul transetto. All'ingresso sono poste due acquasantiere del XVII secolo. Il pavimento, rifatto nel 1956 ripetendo il disegno originale del '600, è in tarsie marmoree policrome. Sulla volta della navata centrale sono rappresentate l'Esaltazione della croce, le Storie della diffusione della fede in Sardegna e la Pietà, di Filippo Figari (1885-1975).

Ai lati del portale centrale vi sono due pulpiti derivati da un unico ambone (commissionato nel 1158 e terminato nel 1162), opera di Maestro Guglielmo eseguito per il Duomo di Pisa. Nel 1312 l'ambone viene sistemato nella Cattedrale di Cagliari. Originariamente si trovava a destra della navata centrale vicina alla terza colonna. Durante la ristrutturazione del 1669 il pergamo fu rimosso e diviso ed i due pulpiti vennero trasportati nella loro posizione attuale. Prima della divisione il pergamo doveva essere sostenuto da sette colonne di cui quattro poggiavano sui quattro leoni che ora sono collocati ai piedi del presbiterio.

Il pulpito di sinistra reca scolpite in bassorilievo queste scene:

* L'Ascensione * La Trasfigurazione * Tre Angeli * Il Battesimo di Gesù * L'Adorazione dei Magi * Maria e gli Apostoli guardano in alto * La Presentazione al Tempio * Il ritorno dei Magi

L'immagine centrale sul fronte raffigura San Paolo con Tito e Timoteo.

Le scene scolpite sul pulpito destro sono:

* I Magi ed Erode * L'Annunciazione * La Visitazione * Le pie donne al sepolcro * L'ultima cena * La strage degli Innocenti * La Natività * La Resurrezione * Il bacio di Giuda

L'immagine centrale sul fronte rappresenta il Tetramorfo, ovvero i simboli dei quattro evangelisti (aquila, angelo, leone, toro).

Nella navata di destra si trovano la Cappella di Santa Cecilia, la Cappella di Nostra Signora di Sant'Eusebio e la Cappella di San Michele.

La Cappella di Santa Cecilia, dedicata a Santa Cecilia, Patrona della Cattedrale, in stile barocco-piemontese. Al centro vi è un dipinto raffigurante Le Nozze mistiche di Santa Cecilia con San Valeriano, opera di Pietro Angeletti. Sul tabernacolo in argento sbalzato è raffigurata La cena di Emmaus, attribuita a Lorenzo Lavy.

La Cappella di Nostra Signora di Sant'Eusebio (detta anche Cappella della Madonna Nera) è chiamata anche Cappella della Madonna Nera per la presenza di una statua della Madonna di colore nero. La statua, in cedro del Libano ed alta 1,55 metri, é una delle tre copie dell'originale statua della Madonna nera che Sant'Eusebio, vescovo di Vercelli portò con sé al ritorno dal suo esilio in Palestina nel 362 (le altre due si trovano a Crea e ad Oropa).

La Cappella di San Michele ha sull'altare marmoreo, tra due coppie di colonne tortili, una scultura che rappresenta San Michele mentre scaccia gli angeli ribelli, opera settecentesca di Giuseppe Massetti. Ai lati le due statue rappresentano San Giovanni Evangelista e il Profeta Isaia. É stata restaurata nel 1939.

Nella navata di sinistra si trovano la Cappella del Battistero, quella di Santa Barbara e quella della Madonna della Mercede.

La Cappella del Battistero fu costruita da Domenico Spotorno (che per farlo demolì due lati del campanile) e venne ristrutturata da Francesco Cucchiari in stile neoclassico nel 1824. Dell'originale secentesco rimane il vascone marmoreo che serviva a conservare l'acqua benedetta.

La Cappella di Santa Barbara venne costruita per volere di mons. Raulo Costanzo Falletti, viceré della Sardegna e arcivescovo di Cagliari. La cappella presenta al centro un dipinto raffigurante Santa Barbara rifiuta di adorare gli idoli pagani, attribuito da alcuni a Corrado Giacquinto, da altri ad uno dei fratelli Carracci, e ai lati i monumenti a Raulo Costanzo Falletti e a suo fratello Gerolamo.

La Cappella della Madonna della Mercede fu fatta erigere da Bernardo di Cariñena, arcivescovo che apparteneva all'Ordine di Santa Maria della Mercede. Al centro, Madonna e santi dell'Ordine Mercedario, dipinto di Giacomo Altomonte. Sotto la tela, statua della Vergine del Pilar e statua dell'arcivescovo Cariñena. Ai lati: monumento del Marchese Amat e dell'arcivescovo Paolo Maria Serci.

Nel braccio destro del transetto si trovano: il Mausoleo di Mons. Bernardo La Cabra, monumento funebre in stile barocco che ricorda Mons. Bernardo La Cabra, Arcivescovo di Cagliari e prima vittima in città della peste del 1655; l' Altare di S.Isidoro, sulla parete sud, fatto erigere dall'Arcivescovo e Viceré della Sardegna Diego Fernandez De Angulo nel 1683 per celebrare la canonizzazione di Sant'Isidoro agricoltore, la cui statua è alla sommità dell'altare. Al centro, la tela raffigurante la Madonna Immacolata col Bambino. Il quadro è detto anche Madonna degli Stamenti Sardi perché in questa cappella prestava giuramento fin dal 1632 il rappresentante dello Stamento militare, quello dello Stamento civile e quello dello Stamento religioso (ovvero il nobile più alto in titolo, il sindaco e l'Arcivescovo).

Sotto la mensa dell'altare è il monumento a Diego Fernandez De Angulo; ai lati sono le statue di Santa Barbara di Nicomedia, San Bonaventura di Bagnoreggio, San Francesco d'Assisi, San Diego D'Alcalà, San Saturnino (quest'ultima scolpita da Antonio Lonis nel 1759) e di due Angeli; il Polittico della Crocifissione, dipinto tra il 1528 e il 1530 e attribuito a Michele o a Pietro Cavaro. Il dipinto comprende la Madonna col Bambino, la crocifissione di Gesù, l'Annunciazione, San Gerolamo, San Matteo e San Bartolomeo; la Cappella Aragonese o della Sacra Spina, cappella trecentesca a pianta semiottagonale, in stile gotico aragonese (sui capitelli vi è lo stemma della Casa d'Aragona); viene chiamata anche "della Sacra Spina" perché vi fu portata una Spina della corona di Cristo, concessa dal Papa Clemente VII (Giulio de' Medici), con suo Breve del 18 marzo 1531.

La cappella ospita anche un trittico fiammingo del XIV secolo attribuito a Rogier Van der Weyden, detto "Trittico di Clemente VII", che rappresenta al centro la Pietà con la Vergine addolorata e il Cristo incoronato di spine, mentre a sinistra vi è Sant'Anna, la Madonna ed il Bambino Gesù, e a destra Santa Margherita e il drago.

Il trittico era originariamente di proprietà privata di Papa Clemente VII, il quale lo aveva collocato nella sua camera da letto, ed era stato trafugato da Roma nel 1527 dai Lanzichenecchi dell'Imperatore Carlo V. Durante il viaggio di ritorno per mare, sorpresi da una tempesta, i soldati fecero voto di restituire ciò che avevano rubato se fossero riusciti ad arrivare alla terraferma sani e salvi. Giunti a Cagliari, per adempiere il voto, restituirono il bottino all'Arcivescovo di Cagliari Girolamo di Villanova e questi poi lo restituì al Papa che a sua volta, con Breve Pontificio del 23 luglio 1531, lasciò in dono il trittico per riconoscenza alla città, con obbligo di esporli durante la festa dell'Assunzione, tradizione che è stata conservata fino ad oggi. L'opera è stata restaurato nel 1987.

Nella cappella è anche presente un busto ligneo di scuola spagnola del XV secolo raffigurante l'Ecce Homo, nonché la tomba dell'arcivescovo di Cagliari Mons. Ernesto Maria Pioveva, le cui spoglie vennero qui traslate dal cimitero di Bonaria nel 1965; la Cappella del Sacro Cuore di Maria, in cui si conserva un organetto del 1758, proveniente dalla vicina chiesa della Purissima. Sopra l'altare vi è una statua della Madonna. Una volta la cappella era dedicata a San Saturnino, patrono di Cagliari. Sulla volta del braccio destro del transetto sono raffigurate La potenza di Maria e la sua protezione sui sardi e Santa Cecilia, sempre di Filippo Figari.

Oltre il presbiterio, sopra il quale si eleva l'alta cupola ottagonale, nel braccio sinistro del transetto si trovano: la Cappella del Crocifisso, settecentesca, interamente ricoperta di marmo nero venato, ospita un crocifisso ligneo del XVI-XVIII secolo e le due statue secentesche in legno di San Sebastiano e San Rocco; la Cappella pisana (o del Sacro Cuore di Gesù o del SS. Sacramento), a pianta quadrata, con volta a crociera ed in stile gotico-pisano, è la cappella più antica della Cattedrale: risale infatti al XIII secolo. Viene chiamata anche cappella del Sacro Cuore di Gesù per la presenza di un dipinto settecentesco raffigurante il Sacro Cuore di Gesù. Sotto la mensa vi è un frammento di leggio d'ambone del XIII secolo; il Mausoleo di Martino II d'Aragona il Giovane, imponente monumento funebre a Martino II d'Aragona (1374-1409), Infante di Spagna, morto durante la conquista della Sardegna nel 1409. Il suo nome è legato alla sua vittoria nella battaglia di Sanluri del 1 luglio 1409 contro il Giudicato di Arborea e alla ferocia dei suoi soldati, tanto che ancora oggi il luogo della battaglia si chiama S'occidrosciu. L'autore del mausoleo, ispirato al barocco ligure-piemontese, è Giulio Aprile, che vi lavorò dal 1676 al 1680, anno in cui venne inaugurato il mausoleo (ma la salma di Martino vi fu collocata solo nel 1689).

In basso vi sono 4 statue di guerrieri e due angeli che sostengono uno scudo, al centro lo stemma dei re d'Aragona e un'iscrizione che riporta la data della sua morte, in alto, tra due statue di leoni, l'urna contenente il corpo di Martino e la statua del re, della Morte, della Giustizia e della Fede. Il Monumento a Mons. Ambrogio Machìn ricorda Mons. Ambrogio Machìn, arcivescovo di Cagliari e Maestro Generale dell'Ordine Mercedario, ed è opera di Domenico Martini. Sulla volta sono raffigurati Cristo Re e San Saturnino, del Figari.

Il presbiterio, rialzato di circa un metro e mezzo dal pavimento della chiesa e recinto da una balaustra marmorea, fu fatto costruire nel 1614 da mons. Francisco De Esquivel quando fu avviata la costruzione del Santuario dei Martiri che si trova sotto di esso. Ai piedi della gradinata del presbiterio si trovano quattro leoni stilofori della metà del XII secolo che una volta facevano probabilmente parte dell'ambone di Maestro Guglielmo.

Il presbiterio comprende: l'Altare Maggiore romanico-pisano originario dell'antica chiesa. Il paliotto dell'altare è in lamina d'argento lavorata a sbalzo e a cesello e venne realizzata a Madrid a metà del 1600. Il palliotto presenta le figure di San Lucifero, Santa Cecilia, San Saturnino, San Giorgio, Sant'Efisio e San Sebastiano. Il tabernacolo in argento a forma di tempio, alto circa 2 metri, è sormontato dalla statua del Risorto che venne qui collocato nel 1610. Due candelabri d'argento del 1629, alti quasi tre metri, opera di Giovanni Salis. Una lampada pensile d'argento di stile barocco del 1602, opera di Giovanni Mameli. Il Coro del XVII secolo. La statua marmorea della Madonna di Monserrato, titolo che gli Aragonesi aggiunsero a tutte le chiese dedicate alla Madonna. Gli stemmi degli arcivescovi di Cagliari Pietro Vico e Mons. Francisco De Esquivel. L'organo grande elettrico, del 1955. Una credenza in marmo a forma di altare che ha in alto un bassorilievo con l'immagine di Santa Cecilia, fatta costruire dal Canonico Pietro Sanna nel 1702.

Nelle vele della cupola sono rappresentati I quattro evangelisti, sempre di Filippo Figari, mentre nella volta sopra il coro il quadro raffigurante la Gloria di Santa Cecilia è opera di Antonio Caboni.