La cathédrale présente une nef à cinq vaisseaux ; elle a donc deux collatéraux de chaque côté.
La partie la plus ancienne de l’édifice est le chœur datant du XIIIe siècle. La façade très ouvragée date du début du XVIe siècle. Les trois portails de celle-ci sont dus à l’architecte Martin Chambiges (1460-1532).
Le sanctuaire comporte notamment d’exceptionnels vitraux fabriqués du XIIIe au XIXe siècle, ainsi qu’un magnifique trésor contenant, outre bien d’autres œuvres remarquable, la châsse de saint Bernard de Clairvaux.
Les grandes orgues proviennent de l’abbaye cistercienne Notre-Dame de Clairvaux. L’abbaye avait passé commande à Jacques Cochu, maître-facteur d’orgues de Châlons-en-Champagne. Construites entre 1731 et 1736 et installées la même année, elle furent considérées comme l’une des plus remarquables de leur temps.
À la Révolution, l’abbaye étant transformée en prison, les orgues furent mises en vente comme bien national en 1792. Les marguilliers de la cathédrale de Troyes les achetèrent et les entreposèrent sous la tour Saint-Paul, où elle demeurèrent démontées pendant toute la durée des troubles. Après la signature du concordat de 1801 et la réouverture de la cathédrale au culte, on construisit une tribune derrière le grand portail occidental et les grandes orgues y furent installées en 1808. La construction de cette tribune fut à l’époque vivement critiquée, car les orgues ainsi disposées masquaient la plus grande partie de la rosace occidentale.
Les grandes orgues de la cathédrale de Troyes sont classées Monument Historique depuis le 19 mars 1963 pour la partie instrumentale, et depuis le 6 décembre 1974 pour la partie mobilier.
Le titulaire actuel des grandes orgues est Michael Matthes.
La cathédrale Saint-Pierre-et-Saint-Paul tient une certaine place dans le roman Le Mobilier national de Laurence Cossé, où un haut fonctionnaire du ministère de la Culture projette de détruire la moitié des cathédrales françaises pour diminuer le coût qu'elles font peser sur les finances publiques. La cathédrale Saint-Pierre-et-Saint-Paul fait en effet partie des cathédrales à détruire, mais un personnage natif de Troye (Anaïs Azaïs) s'oppose avec énergie à ce projet par attachement pour ce monument :
« Enfant, Anaïs avait eu un petit livre sur la cathédrale Saint-Pierre-et-Saint-Paul. Elle en connaissait encore des pans de phrases entiers. “Une grande rose rayonnante dans une profonde archivolte.” “Le premier étage des tours, tapissé de niches à dais flamboyants.” »
— p. 70 dans l’édition de poche