L’unica parte della chiesa attuale che abbia conservato valore artistico è la grande cappella a lato della chiesa costruita, pare, da Gaspare Nadi verso la fine del ‘400.
Tale cappella aveva in passato ingresso indipendente e il portale è attribuito al Formigine o alla sua scuola; ora ha l’ingresso dalla chiesa per due arcate della navata. Ha pianta quadrata ed è coperta da una volta a vela. Nel mezzo dell’arcata di sinistra è posta la croce antichissima che dall’incrocio con Via Guido Reni fu trasferita alla Certosa ma fu poi recuperata da d. Turba. Nella parete di destra un quadro a olio di Alessandro Tiarini (1577- 1668) che rappresenta la “Fuga in Egitto”; questa tela, forse la gemma della chiesa, proviene dalla chiesa di S. Tommaso demolita nel 1849.

Nella parete è murato un bassorilievo in terracotta, che rappresenta la Vergine col Bambino con il titolo di “Madonna della Peste” opera quattrocentesca di maniera fiorentina di artista ignoto. (Una copia di questo bassorilievo si trova nella facciata del civico 56 di Via San Vitale, lato nord di Piazza Aldrovandi). Nella parete di sinistra, il quadro con la Sacra Famiglia, un Santo Vescovo e S. Giovannino forse copia da Pellegrino Tibaldi.
Un rozzo bassorilievo in marmo presenta Cristo che esce dal sepolcro e di fianco un sacerdote in ginocchio a mani giunte: è Bartolino, cappellano di S. Vitale; intorno è un’iscrizione del 1362 un po’ fantasiosa sulle remote origini della chiesa. Nella parete di fronte all’ingresso è l’altare con una ricca ancona di legno intagliato.

Incorniciato da fregi dorati è il frontale attribuito alla scuola del Francia; la mano del maestro si vede solo nei due angeli musicanti. Al centro del dipinto era inserita la deliziosa “Madonna del Divino Amore” opera del pittore senese Sano di Pietro (1406- 1481); la piccola tavola ovale è stata rubata nel 1972, al suo posto si trova ora una modesta copia.
Ai lati sono due grandi affreschi centinati: a destra la “Nascita di Gesù” attribuito a Giacomo Francia; a sinistra l’affresco rappresenta la “Visita della Vergine a S. Elisabetta” di Bartolomeo Ramenghi detto il Bagnacavallo (1484-1542). I due affreschi sono molto deteriorati dall’umidità e dai non buoni restauri del passato. Da alcuni anni sono stati staccati dal muro con un’operazione di restauro scientifico.