L’interno della basilica è suddiviso in tre navate da ventiquattro colonne in marmo greco venato con capitelli “a foglie d’acanto mosse dal vento”, la navata centrale è rialzata rispetto a quelle laterali. La qualità dei marmi e della lavorazione dei capitelli, le proporzioni di ampio respiro dell’interno, la soluzione absidale con sviluppo poligonale all’esterno e circolare all’interno, la presenza degli ambienti ai lati dell’abside, unitamente alla decorazione musiva del catino e dell’arco trionfale e alla luminosità conferita dalla serie delle ampie monofore, contribuiscono alla definizione di uno spazio dove la materia tende a dissolversi in luce e astrazione simbolica.
Il catino dell’abside centrale è ricoperto da un mosaico diviso in due zone. Nella parte superiore, all’interno di un cerchio, giganteggia una croce con gemme circondata da un cielo stellato, al centro della croce si trova il volto di Cristo. Tra le cinque finestre dell’abside si osservano le figure di quattro vescovi ravennati (Ursicino, Orso, Ecclesio e Severo).
Sotto l’abside, nell’altare, sono conservate le ossa di Sant’Apollinare, sepolte nella chiesa per volere di Massimiano nel VI secolo. Le pareti laterali della basilica sono essenziali, spesso definite spoglie, i marmi che le decoravano furono portati via e utilizzati per la costruzione del Tempio Malatestiano di Rimini.
