Najstarszą częścią świątyni jest nawa, zwieńczona krzyżowo-żebrowym sklepieniem sieciowym. Warto zwrócić uwagę na kamienny portal gotycko-renesansowy w południowym przedsionku kościoła oraz wyposażenie świątyni, zwłaszcza znajdujące się pod chórem XV-wieczne stalle kanonickie oraz XVII-wieczną chrzcielnicę. Zabytkami ściągającymi rzesze turystów do katedry są renesansowe nagrobki rodu Tarnowskich oraz barokowy nagrobek Ostrogskich, które słusznie uchodzą za jedne z najwybitniejszych dzieł sztuki w Polsce. Ich autorami są tacy wybitni artyści jak: Jan Maria Padovano, Bartłomiej Berecci, czy Jan Pfister. Znajduje się tu też najpiękniejsza renesansowa rzeźba kobiety w Europie - pomnik nagrobny Barbary z Tęczyńskich Tarnowskiej, który został stworzony przez Bartłomieja Berrecci. Natomiast piętrowy pomnik hetmana Jana Tarnowskiego i jego syna Krzysztofa uważa się za najbardziej monumentalny.

Do sanktuarium Matki Bożej Bolesnej w Tarnowie pielgrzymi przybywają przede wszystkim ze względu na wyrzeźbioną w drewnie XVII-wieczną Pietę. Przed katedrą w 1981 roku stanął wysoki na 4,5 metra pomnik Jana Pawła II. To jeden z pierwszych na świecie pomników Papieża Polaka.

Najważniejsze uroczystości w sanktuarium przypadają na Święto Narodzenia Najświętszej Maryi Panny (8 września).