Les trois nefs débouchent dans le vaste espace du transept, couvert à la croisée avec la nef centrale de la coupole. Aux extrémités des bras latéraux, s'ouvrent deux chapelles, tandis que sur le fond, s'ouvrent encore deux chapelles à plusieurs pièces, des deux côtés du presbytérium, lui-même clos par l'abside semi-circulaire.
Dans le transept, les décorations en stuc sont de Cosimo Fancelli et Ercole Ferrata ; il s'agit d'allégories de la Foi et de l'Espérance (bras gauche), de la Charité et de la Religion (bras droit).
Dans le bras droit du transept, on a placé dans les années 1920 le pupitre en bois dessiné pour un couvent par Francesco Borromini (1638-1642).
Dans le chœur du presbytérium les parois des stalles remontent à 1640, les sièges eux-mêmes étant de peu postérieurs. Les orgues et les petits chœurs sur les côtés sont ornés de monstrances de bois doré de 1698.
Sur l'autel majeur, construit entre 1596 et 1599, devait se trouver une toile de la « Nativité » de Federico Barocci, qui ne fut jamais exécutée.
En 1608 on décida d'y placer l'image miraculeuse de la « Madonna Vallicelliana », qui fut insérée dans une décoration en ardoise, peinte par Rubens avec des cercles concentriques d'« Anges et chérubins adorants », disposés autour d'une niche pour l'image vénérée. Cette statue était elle-même protégée par une plaque de cuivre, peinte également par Rubens avec une « Madone avec enfant qui bénit », plaque qui peut s'enlever, grâce à un système de cordes et poulies, afin d'exposer l'image à la vénération.
Sur les parois latérales du presbytérium deux autres peintures de Rubens, réalisées également sur ardoise, représentent « Saint Grégoire le grand, Papias et saint Maur » (paroi de gauche) et « Sainte Flavie Domitille, saint Nérée et saint Achille » (paroi de droite).
Le mécène de ce grand ensemble pictural fut le cardinal Federico Borromeo, archevêque de Milan.
Au-dessus du tympan surplombant l'autel un édicule abrite un « Crucifix » en bois polychrome, de Guillaume Berthelot, de 1615. En 1697 on ajouta encore deux statues d'« Anges », par Francesco Maratti.
Le tabernacle de l'autel, en bronze doré, avec des anges en vol, fut réalisé en 1672 par Ciro Ferri.
Les deux chapelles aux extrémités du transept furent modifiées en reculant l'ensemble, comme les chapelles des nefs latérales : ces travaux prirent place en 1634 pour la chapelle de la Présentation.
À l'extrémité gauche du transept.
Construite en 1589 aux frais de l'évêque Angelo Cesi, sa décoration est due à Martino Longhi l'ancien en 1591 avec des marbres polychromes et deux colonnes de marbre vert à l'autel.
En 1592 les deux niches reçurent les statues de saint Pierre et saint Paul, œuvres de Giovanni Antonio Paracca et en 1603 la décoration de l'autel fut mise en place : "Présentation de Marie au Temple" de Federico Barocci.
Après les travaux de modification, la décoration des fresques sur la voûte fut refaite, avec les "histoires d'Anne, Elcana et Samuel", de Alessandro Salucci.
À l'extrémité droite du transept.
Elle fut confiée en 1591 à Alessandro Glorieri, nonce apostolique à Naples.
En 1592 on en construit l'autel majeur, avec des colonnes de marbre vert analogues à celles de la chapelle de la Présentation en face. C'est en 1594 que la chapelle est consacrée, une fois réalisée la décoration très élaborée, en marbres polychromes. Les niches abritent deux statues, de "Saint Jean Baptiste" et "Saint Jean l'Évangéliste" de Flaminio Vacca.
La décoration de l'autel, représentant le Couronnement de la Vierge, peinte par le Cavalier d'Arpin, avait été terminée en 1615, mais fut retouchée deux ans plus tard par le même auteur, à la requête de la congrégation.
À gauche du presbyterium.
Précédé d'un vestibule de forme ovale de Luca Berrettini, elle est construite entre 1600 et 1606 aux frais de Neri Del Nero, parent du saint, sur un projet de Onorio Longhi, et décorée de marbre et de matériaux précieux (marbre, albâtre, jaspe, nacre, lapis-lazuli, corail, onyx, agate et améthyste).
La coupole avec la lanterne au-dessus de l'autel sont de Pietro da Cortona (1650).
Sur les parois et la voûte sont placées des toiles de Cristoforo Roncalli, le Pomarancio, réalisées entre 1596 et 1599 (peut-être remplacées par une deuxième série du même peintre en 1620), qui représentent des scènes de la vie du saint (Philippe ose chanter les anges, Philippe guérit Clément VIII, Philippe sauve un disciple de la noyade, Philippe en extase auprès d'un malade, Philippe choît dans une cave et est sauvé par un ange, Philippe en extase en vêtements sacerdotaux, Mort de Philippe, Aumône de Philippe à l'ange, Philippe ressuscite Paolo Massimo, Saint Jean Baptiste apparaît à Philippe).
Pour l'autel fut réalisé le tableau de Guido Reni présentant "Saint Philippe Néri et la Madone de la Vallicella", ensuite déplacé dans le couvent et remplacé ici par une mosaïque sur le même sujet, de Vincenzo Castellani (1765-1774).
L'autel est constitué autour d'une urne de cristal qui conserve le corps du saint, avec un masque d'argent, tandis que les décorations ont été modifiées jusqu'au XIXe siècle.
À droite du presbyterium.
L'idée d'une chapelle dédiée à saint Charles Borromée était en discussion depuis 1604, avec l'appui du cardinal Federico Borromeo, mais il ne fut possible de réaliser ce projet qu'à partir de 1663, grâce au marquis Orazio Spada. Le projet de Camillo Arcucci avec trois pièces successives, décorées somptueusement, fut achevé en 1679.
La première pièce, un vestibule octogonal, est décorée de plaques de marbre noir, placées là en 1733, qui font mémoire des membres de la famille bienfaitrice.
La pièce centrale, de forme elliptique et couverte d'une voûte, fut réalisée par Giuseppe Brusati Arcucci, neveu de l'architecte, avec l'aide de Carlo Rainaldi. Elle comporte quatre niches encadrées de colonnes qui auraient dû contenir des statues.
La décoration (Gloire avec la devise de Saint Charles, Humilitas, de 1667, des « Anges » et quatre médaillons avec l'Attentat contre saint Charles, les Saints Charles, Philippe Néri et Felix de Cantalice, la Prière commune de saint Charles et de saint Philippe et la Rencontre de saint Charles et de saint Philippe) est due à Giovan Francesco De Rossi. Au sol, le blason de la famille Spada. Sur les parois, des tableaux de Luigi Scaramuccia de 1673 (l’Aumône de saint Charles et Saint Charles parmi les pestiférés).
La dernière pièce contient l'autel avec sa décoration de Carlo Maratti (la Madone et l'enfant Jésus entre les saints Charles Borromée et Ignace de Loyola, de 1672-1679). La fresque sur la voûte, avec l’Esprit Saint, fut réalisée en 1729.