Superato il portico, che ospita due grandi statue di San Domenico e Santa Caterina, opere di Francesco De Rossi, si entra nell'interno barocco, a navata unica con tre cappelle per lato, di belle linee e ricca decorazione. Ma il vero gioiello che custodisce la chiesa si trova sulla parete centrale del presbiterio ed è un altorilievo dell'artista maltese Melchiorre Cafà, l'Estasi di Santa Caterina da Siena.
La bianca figura della santa spicca quasi a tutto tondo in mezzo alle nuvole abitate da angeli e putti, con lo sguardo rivolto misticamente al cielo, creando un bell'effetto pittorico grazie al contrasto col fondo di marmo policromo incorniciato da quattro colonne in marmo bianco e nero. L'esecuzione è di grande finezza e non si può non pensare, osservando certi dettagli (le mani, le vesti), all'Estasi di Santa Teresa di Bernini (del resto l'opera fu attribuita per un certo tempo proprio a quest'ultimo). Ma pur lavorando in quella scia, Cafà stempera l'irrequieta lezione berniniana con un più pacato classicismo, forse sotto l'influenza dello stile di Alessandro Algardi.
Melchiorre Cafà nasce a Malta nel 1636. Si trasferisce a Roma nel 1658 e comincia a lavorare nella bottega di Ercole Ferrata, allievo e collaboratore dell'Algardi. Lavora a diverse commesse ma riesce a terminare soltanto due opere importanti, l'altorilievo di Santa Caterina e una statua di Santa Rosa da Lima, poi trasferita in Perù. Muore infatti prematuramente nel 1667 a causa di un incidente di lavoro nelle fonderie di San Pietro.