Wewnątrz znajduje się główna sala modlitewna o kształcie zbliżonym do kwadratu o wymiarach 10,7 na 9,5 metrów, sklepiona kolebkowo z lunetami i żebrami stiukowymi w układzie sieciowym. Sala obniżona jest o pół metra w stosunku do sieni, która położona jest niżej od zewnętrznego przedsionka, ten zaś znajduje się poniżej poziomu ulicy. Wszystkie te pomieszczenia połączone są ze sobą schodami. W sali głównej na sklepianiach zachowały się fragmenty polichromii pochodzące z drugiej połowy XVIII wieku i oceniane jako najstarsze w Polsce. Przedstawiają głównie motywy zwierzęce i roślinne, m.in. jednorożce, gryfy, pawie, orły. Na ścianach zachowały się pozostałości inskrypcji hebrajskich i polichromie.
W lunetach i ścianach zamykających sklepienie kolebkowe znajdują się wielkie, zakończone półkoliście okna, a w dolnych częściach ścian wnęki arkadowe. W jednej z wnęk południowej ściany umieszczono drzwi do sali głównej, ujęte w kamienny portal. Na wschodniej ścianie znajduje się rzeźbiony w kamieniu, manierystyczny, XVII-wieczny Aron ha-kodesz, który nawiązuje do tego, jaki znajdował się we lwowskiej synagodze Złotej Róży.