All'interno lo spazio sacro si presenta in questa rinnovata veste settecentesca, dove trovano posto alcuni arredi provenienti dall'antica chiesa. Le pareti sono decorate da alcune raffinate cornici in stucco, di gusto rococò, attribuite a Francesco Maria Arrighi, entro le quali si trovano i dipinti dedicati a San Vitale, realizzati entro il 1760 da Innocenzo Ansaldi. Sulle pareti del presbiterio si trovano Il martirio di San Vitale, a destra, e quello del suo discepolo Ursicino, a sinistra, mentre negli ovati dell'aula sono raffigurati San Vitale, i suoi figli, San Gervasio e San Protasio e la moglie Santa Valeria. Sull'altare maggiore è collocata una tavola dipinta nel 1510 dal pistoiese Bernardino del Signoraccio, raffigurante una Sacra Conversazione con San Sebastiano e San Vitale, opera commissionata dal priore Giovanni Battista Curradi, effigiato in ginocchio vicino alla Madonna. Sull'altare a destra è collocato un grande Crocifisso ligneo seicentesco e, sull'altare a sinistra, è la tavola con la Natività della Vergine, realizzata nella seconda metà del Cinquecento dal veronese Sebastiano Vini. Nel 1761 fu sistemato in controfacciata, sopra la porta d'ingresso in una cantoria lignea, l'organo realizzato da Pietro Agati.