C'est à Cahors que ce type d'architecture a atteint ses plus grandes dimensions, avec des coupoles de 18 mètres de diamètre et dont la clef de voûte s'élève à 32 mètres (Cahors n'est, sur ce point, dépassé que par Sainte Sophie de Constantinople). avec de telles dimensions, les coupoles sont plus larges que hautes; ce qui permet d'éviter la sensation d'écrasement.
L'architecture à coupoles pose de graves problèmes en terme d'équilibre, qui sont résolus à Cahors en partie par l'emploi de piliers robustes (piliers de 4 mètres de côté), qui sont à la fois supports et contreforts. L'utilisation de grandes arcades ( arcs doubleaux et formerets) en forme d'arcs brisés permet aussi de soutenir les poussées. Selon les archéologues, il s'agit d'un des plus anciens exemples d'utilisation d'arcs brisés.

Sous la coupole orientale, l'élévation est a deux niveaux. Les arcades brisées, peu élevées, donnent sur des chapelles latérales et sont surmontées de trois baies.
Sous la coupole occidentale, on trouve une tribune en stuc côté nord. Côté sud, une chapelle latérale est surmontée d'un rose et d'une baie brisée.
Les fresques de l'intérieur ne présentent pas un intérêt particulier puisque des restaurations du XIXe siècle masquent les originales du XVIe siècle. Seule la peinture de la première coupole a été sauvée. Elle représente le martyr de Saint Etienne et huit prophètes se regardant deux à deux.

La nef s'ouvre sur un choeur gothique à sept pans où alternent, au premier niveau, de grandes baies à deux lancettes et des baies plus courtes à quatre lancettes surmontées d'un oculus.

Au second niveau, on trouve également une alternance, entre des baies à trois lancettes et des baies à cinq lancettes, plus tassées.