L'interno del tempio si offre alla vista stupefatta del pellegrino presentando una unitarietà di spirito, di colori, e di effetti che riscatta la frammentarietà dell'esterno.
Dagli otto grandi arconi, all'agile tamburo traforato di luce, alla enorme cupola sovrastante, si dispiega la storia della salvezza.
Su tre livelli si contempla l'attesa del Salvatore con l'annuncio fatto dai Profeti (al Popolo di Dio) e dalle Sibille (al mondo pagano).
L'attesa ha il suo compimento negli episodi della vita di Maria e si conclude in alto, alla presenza della Santissima Trinità nel cupolino.
Prima Giuseppe Bibiena, poi Mattia Bortoloni (figurista di scuola veneta) e Felice Biella (quadraturista lombardo) realizzarono in soli due anni (1746-1748) l'imponente decorazione dell'emiciclo e della volta.
La decorazione della cupola si fonda sul dinamismo continuo delle figure e sul sapiente equilibrio tra le scene allegoriche (delle Virtù cardinali, dei Dottori della Chiesa e degli angeli adoranti) e i finti cassettoni della cupola.
Alla base della grande volta, tra gli enormi finestroni ovali (sei metri di diametro) gli Apostoli assistono alla glorificazione di Maria con atteggiamenti di partecipato stupore. Splendidi giochi di nuvole ed effetti chiaroscurali a "trompe l'oeil" creano stupefacenti effetti illusionistici.
Al centro del grande emiciclo ellittico si ammira un elegante tempietto impreziosito di marmi e di statue.
Protegge ed eleva l'effige della Vergine miracolosa, custodita in una preziosa teca d'argento.
La dolce espressione della Madonna col Bambino in grembo è opera semplice e raffinata di un valente artista locale (fine 1400).
Nella cappella di San Bernardo, affrescata dal comasco Giovanni Paolo Rechi (1680), si trova la tomba mausoleo del Duca Carlo Emanuele I, realizzata dai fratelli Collini di Torino, con le figure allegoriche di Minerva e della Sapienza.
La cappella di San Benedetto ospita il monumento dedicato a Margherita di Savoia, figlia del Duca, con la bella statua opera dello scultore genovese Giuseppe Gagini (1709).
Le altre due cappelle sono dedicate a San Giuseppe e a San Francesco di Sales che qui giunse pellegrino nel 1603 da Ginevra.
L'altare dell'abside è dedicato a San Rocco e conclude armonicamente il vastissimo spazio interno (nella volta un curioso effetto di "trompe l'oeil" con un furtivo raggio di sole…)