Herrera wählte für den Kirchenbau Entwürfe italienischer Architekten. Das Innere wurde nach dem Vorbild des Petersdoms in Rom ausgeführt: der Grundriss in Form eines griechischen Kreuzes, eine von vier mächtigen Pfeilern getragene 92 m hohe Vierungskuppel und Tonnengewölbe in den Querhäusern. Die Vorhalle weist als architektonische Neuheit die Gewölbeform der Flachtonne auf. Der spanische Architekt hat auch den 30 m hohen Retabel und den Tabernakel entworfen. Auf beiden Seiten des Chors befinden sich die Grabmäler von Karl V. und Philipp II.