La facciata conserva nella parte superiore unmosaico del XIII secolo, raffigurante Maria in trono che allatta il Bambino: è affiancata da dieci donne recanti lampade. La facciata è preceduta dal portico progettato da Carlo Fontana (1702).

Sulla sommità del campanile romanico, si vede un mosaico raffigurante la Madonna col Bambino, in una nicchia.

All'interno, a tre navate su colonne ioniche e corinzie architravate, si notano il bel soffitto ligneo, disegnato da Domenichino (autore anche dell'Assunzione al centro) e alcune pitture risalenti al restauro del XIX secolo, sotto papa Pio IX. Nella prima cappella della navata destra si trova Santa Francesca Romana diGiacomo Zoboli mentre nella seconda cappella la Natività di Etienne Parrocel.

Nella conca dell'abside si può ammirare un mosaico raffigurante la Vergine e Cristo assisi sullo stesso trono (XII secolo), ornato, nella parte inferiore, da Storie della Vergine, sempre a mosaico, opera di Pietro Cavallini (1291).

Secondo un'accreditata ipotesi (Ernst Kitzinger) l'iconografia del catino absidale è probabilmente allusiva alla grande processione che nel medioevo si teneva a Roma la notte dell'Assunta. In questa occasione l'icona acheropita del Salvatore dal Laterano veniva solennemente condotta a Santa Maria Maggiore (maggiore chiesa mariana di Roma), al cospetto della celebre icona della Salus populi romani. Quasi un abbraccio tra Madre e Figlio. La processione peraltro prevedeva una tappa intermedia presso un'altra importante chiesa mariana, Santa Maria Nova presso il Foro romano (attuale Santa Francesca Romana). Anche qui vi era un incontro tra icone, custodendo anche questa chiesa una venerata immagine della Vergine. Ed è forse proprio questa seconda icona che fa da modello alla raffigurazione della Vergine nel mosaico trasteverino. La tesi di Kitzinger è basata, oltre che su assonanze stilistiche tra la decorazione musiva e le citate icone (specie tra il volto di Cristo del mosaico e l'acheropita lateranense), sul fatto che entrambe le figure centrali del mosaico hanno in mano dei cartigli con passi del Cantico dei Cantici. È documentato che durante la processione dell'Assunta venisse recitato questo salmo.

La prima cappella della navata sinistra è la cappella Avila, con stucchi in stile barocco di Antonio Gherardi (1680). Tra la quarta e la terza cappella v'è la tomba di Innocenzo II opera dell'architetto Virginio Vespignani che tra il 1866 e il 1877 eseguì un restauro stilistico della chiesa. Nella terza cappella lunette, soffitto e pala d'altare di Ferrau Tenzone.

Tra le altre opere d'arte si segnala l'icona della Madonna della Clemenza o Madonna Theotókos, preziosissimo esemplare risalente forse al VI secolo (ma alcuni storici suppongono all'VIII), dalla rigida frontalità e i colori smaglianti messi in relazione con il primo strato di affreschi della chiesa di Santa Maria Antiqua. La cappella Altemps risale alla fine XVI secolo.

La basilica ospita le reliquie di San Giulio I e le salme di San Callisto I ed Innocenzo I.