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La chiesa è a tre navate, che si concludono sul fondo con altrettante absidi quadrate. Una piccola basilica. Le navate, prive del tutto di finestre, sono divise da otto colonne di recupero, di epoca imperiale: cinque di esse (3 a destra e 2 a sinistra) sono di granito rosso, le ultime due (1 a destra e 1 a sinistra) sono di marmo greco livido rudentate e tortili, e la terza di sinistra è in granito bigio. Tutte sono fornite di capitelli corinzi a forma di loto (lotiformi), caratteristica dell'architettura egiziana. Detti capitelli di recupero, secondo i metodi del tempo, sono stati resi simili con forme di gesso.
Il colonnato e la sovrastante struttura muraria hanno restituito alla chiesa, sia pure parzialmente, l'aspetto primitivo, frutto di una ristrutturazione duecentesca sull'originale paleocristiano. La controfacciata interna del portone centrale è interrotta nel punto più alto da una testa cherubica e dalla lapide, con una ricca cornice in stucco, che ricorda i restauri del 1625 e riassume anche la storia della costruzione.
Negli spazi laterali vi sono gli affreschi di Agostino Ciampelli (1577-1642), contenuti dentro una grande cornice architettonica di tipo classicheggiante (pilastri marmorei con capitelli corinzi), e raffigurano angeli musicanti, affacciati o seduti su di una balaustra copiosamente addobbata. La decorazione prosegue in basso con fregi formati da strumenti di tortura, eseguiti anch'essi dal Ciampelli. In basso, a destra della porta (guardando), è conservata la colonna in marmo rosso antico, sulla quale S. Bibiana fu legata e flagellata con le "piombate". E' protetta da una grata in
bronzo dorato, la cui esecuzione avvenne su disegno del Bernini. La didascalia dice: "Legata a questa colonna, l'invitta martire Santa Bibiana, con corde piombate, fu crudelmente flagellata".
Le acquasantiere sono di marmo africano, a forma di conchiglie e risalgono al 1600.