La vastità dello spazio è dominata con effetto solenne e monumentale dalle tre navate che indirizzano lo sguardo verso la grandiosa cupola, punto culminante e primaria sorgente di illuminazione di tutto l’interno.
Gli altari laterali presentano opere pittoriche in gran parte della tradizione marchigiana del XVII e del XVIII sec. Nel presbiterio è collocato l’altare in marmo settecentesco, un coro in legno di noce della stessa epoca e un grande crocifisso ligneo del XVI sec.
Il Sacello di San Venanzio, chiuso da un’inferriata, custodisce un armadio di noce, al suo interno si trova la statua argentea di San Venanzio e sei candelieri d’argento. La statua, fusa nel 1764 dall’argentiere romano Tommaso Politi, fu donata dal Vescovo Francesco Viviani, in sostituzione di quella offerta dal duca Giulio Cesare da Varano nel XV sec. e successivamente distrutta.
Essa rappresenta il martire camerinese vestito da soldato romano che tiene lo stendardo con la destra e sulla sinistra porta la città di Camerino secondo l’antica tradizione iconografica di San Venanzio protettore della città.
La piazza di San Venanzio aveva fino al ‘700 un aspetto molto diverso, suggestivo e grandioso: il piano era ad un livello più basso dell’attuale, per cui la facciata della chiesa con il suo magnifico portale e il campanile, perfettamente in vista, appariva più slanciata. Dopo il terremoto del 1799 cambia profondamente il suo aspetto. Viene realizzato un pronao incompleto nei capitelli che copre e protegge l’antica facciata.
La facciata, risalente al XIV sec. reca al centro un bel rosone e su due mensole poggiano dei leoni simbolo del potere guelfo.
Il portale della seconda metà del XIV sec. presenta un arco a tutto sesto e i pilastri finemente decorati a motivi floreali. L’architrave che sorregge la lunetta presenta il Cristo con i dodici Apostoli, nella lunetta campeggiano le statue della Vergine col Bambino e di San Porfirio, quella di San Venanzio purtroppo è andata perduta (opera attribuita ad uno scultore toscano che si ispirò a Giovanni Pisano).