L'entrée de l'église est une simple porte située au niveau du transept sud. Ce chemin d’accès étroit pour une si grande structure s’est avéré être parfois dangereux. En effet, à l’occasion d’un incendie qui éclata en 1840, une douzaine de pèlerins furent piétinés à mort. En 1999, les différentes communautés se mirent d’accord pour installer une nouvelle porte de sortie dans l'église, mais il n'y eu jamais de rapport effectué pour la réalisation de cette dernière.
En 2009, le Saint-Sépulcre se divise en cinq grandes sections: le Golgotha, la Tombe, la Basilique, le Corridor et la Crypte de la Croix. Six occupants se le partagent : les Catholiques romains, les Grecs orthodoxes, les Arméniens apostoliques, les Syriaques orthodoxes, les Coptes et les Ethiopiens orthodoxes. À l’intérieur, proche de l’entrée, se trouve la Pierre de l’Onction dont on pense que c’est l’endroit où le corps de Jésus fut préparé avant d’être inhumé.
La Rotonde d’Anastasis se trouve sur la gauche de l’entrée du Saint-Sépulcre juste en dessous du plus grands des deux dômes de l'église. Située au-dessus de la tombe de Jésus, la Rotonde est formée de 18 piliers ronds en marbre, qui supportent le dôme. Les piliers sont emprisonnés dans de larges blocs carrés pour résister aux séismes. Le diamètre de la Rotonde est de 20,9 m et la coupole culmine à 21,5 m du sol. En son centre se trouve l'Édicule du Saint-Sépulcre qui abrite la Tombe de Jésus incluant la Chapelle de l’Ange (de la Résurrection).
Le statu quo donne des droits aux Orthodoxes, aux Catholiques ainsi qu’à l’Église Apostolique arménienne à l'intérieur du tombeau. Les trois communautés peuvent y célébrer la Divine Liturgie ou la Messe tous les jours.
Il est aussi utilisé dans le cadre d'autres cérémonies pour des occasions spéciales, notamment la cérémonie du Samedi saint ou bien encore la cérémonie orthodoxe du feu sacré célébrée par le Patriarche Orthodoxe grec de Jérusalem.
Une chapelle copte, sur le bas-côté occidental de l'édicule et protégée par un treillage en fer, abrite un fragment de pierre demi-circulaire taillé dans un ancien monument visible sous l’autel qui est utilisé par les coptes orthodoxes.
Derrière la Rotonde se trouve une chapelle taillée très irrégulièrement à la main et qui devait probablement être le tombeau de Joseph d'Arimathie. C’est dans cette chapelle que les Orthodoxes syriaques célèbrent leur liturgie chaque dimanche.
À la droite du Sépulcre, sur la partie sud-est de la Rotonde on peut voir la Chapelle de l'Apparition réservée aux Catholiques.
L’arche byzantine relie la Rotonde, construction du VIe siècle, à l’ouest et l’église croisée, du XIIe siècle, à l’est. Sur le côté est, face à la Rotonde, se trouve l'église des Croisés qui constitue l'autel principal de l'église ; aujourd'hui il correspond au catholicon grec orthodoxe.
Dans l’église Sainte-Hélène, des piliers du VIIe siècle supportent le second dôme plus petit. La coupole fut restaurée par les Croisés.
L’abside de l’église, orientée vers l’est, fut restaurée en 1850, puis rénovée à nouveau dans les années 1980. Le centre de l’église est marqué d’une pierre ronde, qui représente l’Omphalos Mundi, le nombril du monde pour les Chrétiens, de la même manière que le Rocher de la Fondation sur le Mont du Temple symbolise le centre du monde pour les Juifs.
À l'est on peut voir un grand iconostase qui délimite le sanctuaire Orthodoxe grec et qui était auparavant le trône patriarcal ainsi que le trône pour les célébrations épiscopales.
Sur le côté sud de l'autel, on accède, via le déambulatoire, à un escalier dont les marches sont recouvertes de plaques de marbre pour éviter les dégradations et qui mène à la Chapelle du Calvaire (ou du Golgotha). On pense que c’est le lieu de la crucifixion de Jésus. C’est la partie la plus luxueusement décorée de l'église. L'autel principal appartient aux Orthodoxes grecs et les Catholiques ont un autel juste à côté. A l'est, dans le déambulatoire il y a un escalier qui descend à la Chapelle Sainte-Hélène et qui appartient aux Arméniens. De là, treize marches conduisent à une chapelle croisée, la Chapelle de la Découverte de la Croix, qui est la cave dans laquelle la Croix de Jésus et celles des deux larrons furent retrouvées.
Notons que la partie sud, se divise en plusieurs parties : les portails principaux, le dôme du Golgotha et le clocher. Les portails principaux sont réhaussés d’archivoltes sculptées de feuilles d’acanthe et de médaillons. A droite des portails, le dôme du Golgotha surmonte les deux étages du bâtiment. A gauche des portails, les six étages originels du clocher sont aujourd'hui au nombre de quatre. On y vénère le Saint-Sépulcre et le Christ.