Själva kyrkorummet har en klart avgränsad och lättfattlig form som utgörs av ett brett enskeppigt, tunnvälvt långhus och ett åttkantigt kor. Skeppets östra vägg är genombruten av en hög triumfbåge i mitten och två mindre bågar på sidorna. Förutom en traditionell västläktare finns en mindre läktare för orgeln och kören på långskeppets södra sida i tornkroppen ovanför gravkoret.
Golvet är mönsterlagt av grön och svart marmor, förutom i bänkkvarteren som har trägolv. Långhusets väggar är nedtill klädda med mörk svensk marmor och kalksten. I den södra panelen finns två korsi guldmosaik (typ medeltida konsekrationskors). Framför värmeelementen sitter konstsmidda elementskydd. Ovanför stenpanelen vidtar färgstarka och praktfulla kalkmålningar "al secco" som fortsätter i valvet och når sin kulmen i korpartiet. De non-figurativa målningarna är utförda av Filip Månsson. Boberg själv deltog i mönsterutformningen tillsammans med tecknaren Oscar Brandtberg.
Bildprogrammet i kyrkorummet har anknytning till Nathan Söderbloms religionshistoriska uppfattning om Uppenbarelseteorin. Figurmålningarna är alla signerade Olle Hjortzberg. Gestalterna på södra väggen föreställer Platon och Sokrates från den grekiska antiken, på västsidan, på var sida om läktaren är Gamla testamentets Abraham och Moses och på norra väggen representeras tiden före Kristus av profeterna Elias och Jesaja. Triumfbågsvalvet upptar Kristi egen tid och gudsuppenbarelsen i Nya testamentet. Kristus symboliseras av triumfkorset flankerat av två änglar till höger. Till vänster syns skaror av människor vilka böjer sina huvuden inför Gud. Bland människorna återfinns byggherren, arkitekten, byggnadschefen samt en del av konstnärerna. Krucifixbalken bärs upp av Petrus (med nyckeln) och Paulus (med svärdet) och på väggarna intill framträder de fyra evangelisterna Matteus, Markus, Lukas och Johannes under Kristi eget monogram IHS (Iesus Hominum Salvator).
I koret fortsätter gudsuppenbarelserna efter Kristus med vittnen alltifrån fornkristen tid till lutherdomens förkämpar. Här återfinns från vänster Augustinus, den romersk-katolska lärans anfader, med sin moder Monica, apostlarna Ansgar och Botvid, Erik den helige och biskop Henrik, den heliga Birgitta med biktfadern Mattias samt Martin Luther och Gustav II Adolf.
Kyrkans rundbågiga fönsteröppningar är försedda med blyinfattade fönster med nonfigurativa mönster i färgat glas. Kyrkan har öppen bänkinredning i mörk ek med inskriptioner i sidostyckenas överdelar. Kyrkans innerdörrar är likaså av mörk ek, med enkla fyllningar och hamrade mässingstrycken.
Det stora altaret i vit Carraramarmor är ett verk av Boberg och har fyra bibliska reliefer i alabaster längs altarbordet. Relieferna är utförda av Carl Milles och framställer Jesu bergspredikan, Jesus och äktenskapsförbryterskan, Jesus i Getsemane samt Jesus i Emmaus. På framsidan är altarbordet smyckat med färgrika mosaikinläggningar. Bakom altaret har Boberg, efter romanska förebilder, byggt in ett antal nischer med bänkplatser, smyckade med konsekrationskors i mosaik, och en cathedra, en s k pulpet avsedd för biskopen.
Arrangemanget i triumfbågen är helt utfört i trä och av enkel, medeltida typ, en taggbåge runt valvet, en rak smal balk som bär upp triumfkorset av gotländsk ringkorstyp, med en smäcker, stående ängel på vardera sidan samt två karyatidfigurer vilka bär upp balken. De fyra träfigurerna till krucifixbalken är tillverkade av Carl Milles, resten är Bobergs verk.
Dopfunten i mörk granit är utformad av Carl Milles med järnlock av Boberg. Till formen påminner den om romanska arbeten på Gotland eller i Sydskandinavien. Dopfunten har en ovanligt central placering mitt framför altaret i långhuset, vilket gör den till något av kyrkobyggnadens arkitektoniska epicentrum.
Epitafiet på långskeppets norra vägg intill predikstolen är utfört i sandsten. De fem figurerna är utformade av Milles och föreställer fem av vårt lands mest namnkunniga psalmdiktare. I övrigt är epitafiet ett verk av Boberg själv. Predikstolen är tillverkad i belgisk polerad granit med bibelord i mosaikinläggningar.
Orgeln har sin plats på läktaren i södra sidoutbyggnaden, ovanför det Wallenbergska gravkoret och består av 32 stämmor. Fasaden har dekorationsmålningar utförda av saltsjöbadskonstnären Gunvor Westelius. Arkitekt Jerk Alton har i senare tid utfört rutnätet framför piporna.
Det Wallenbergska gravkoret är beläget på kyrkans södra sida. Det är relativt mörkt till följd av det sparsamma ljusinsläppet. Väggar och tak är lagda med mosaik i bysantinsk stil av en från Venedig inkallad konstnär, Antonio Labus, efter Brandtbergs förlagor. Dessa båda konstnärer har även gjort övrig mosaikutsmyckning i kyrkan. I gravkorets sarkofager vilar Knut och Alice Wallenberg.
Kyrkorummets belysning är mycket genomtänkt och fönstrens placering liksom det elektriska ljuset resulterar i ett mycket effektfullt ljus. Korets ljus kommer från två stora rundbågiga fönster och en elektrisk ljusbåge, vilka alla är osynliga från långhuset. Ljuskällorna gör att det vita altaret lyser i den annars ganska mörka interiören. I övrigt består långhusets ljuskällor av tre fönster i västfasaden och två på vardera långsidan. Det elektriska ljuset utgörs av en ljusbåge ovanför läktaren samt av sex mässingslyktor med av färgat, blyinfattat glas med korssymbol på. I mittgången hänger en stor ljuslykta i form av ett kors av mässing och blyinfattat, färgat glas.
I kyrkans torn finns tre klockor vilka är tillverkade av K G Bergholtz klockgjuteri. Klockorna bär inskriptioner med uppgift om donator samt regent och biskop vid tillkomsten. Klockorna bär namn efter de tre kvinnor som stod Knut Wallenberg närmast. Storklockan bär namnet efter modern Wilhelmina, mellanklockan efter hustrun Alice och lillklockan efter dottern Nanny.
Övriga inventarier
Kyrkan bevarar ursprungliga textilier vilka har utformats av Boberg själv. Av dessa kan nämnas två mässhakar med guld- och sidenbroderier samt fyra kollekthåvar tillverkade av Licium, en alba med vitt broderi tillverkade av C G Hallberg samt ett flertal altardukar m m. Mässhakarna är formgivna med en 1300-talsskrud i Uppsala domkyrka som förebild.
I sakristian står en gipsskulptur föreställande Kristus och de sovande lärljungarna i Getsmene. Skulpturen är tillverkad av Anna Troili-Pettersson och donerad till kyrkan 1934. Ett kopparstick av Olle Hjortzberg föreställer Kristus på korset.
Uppgifterna är sammanställda av Stockholms läns museum 2007.