Les dimensions intérieures de l'église supérieure sont assez modestes. La nef a une longueur de 32,7 m. et une largeur de 14 m. Chaque chapelle latérale mesure 3,8 m. par 5,4 m. À l’intérieur de l'église supérieure c'est le triomphe de la polychromie avec de somptueuses mosaïques et des colonnes et pilastres en marbre aux couleurs alternées rouge et blanc. Si pour le blanc le marbre de Carrare s'imposait, en revanche pour le rouge le choix fut très délicat. L'architecte Espérandieu voulait un rouge nuancé pour s'harmoniser avec les mosaïques et ne pas trop trancher avec la blancheur du marbre de Carrare. Le marbrier Jules Cantini fit la découverte au lieu-dit « les belles pierres » sur la commune de La Celle près de Brignoles (Var) d’un gisement de marbre rouge jaspé de jaune et de blanc, recevant un beau poli, qui convint parfaitement. Pour les parties hautes c'est le stuc, c'est-à-dire du marbre reconstitué, qui est adopté.
Les mosaïques des plafonds et des parois dont la surface développée est d'environ 1 200 m2 ont été réalisées de 1886 à 1892 par la société Mora installée à Nîmes. Les tesselles qui provenaient de Venise, ont été fabriquées par des artisans au sommet de leur art. Chaque panneau comporte près de 10 000 tesselles au m2, ce qui représente pour la basilique environ 12 millions de petits carreaux de 1 à 2 cm2. Ces mosaïques constituent un ensemble exceptionnel par la complexité de ses décors réalisés par des architectes ou des peintres de renom et par la qualité des tesselles. Les sols sont revêtus d’environ 380 m2 de mosaïques romaines au dessin géométrique