La chiesa ospita 35 altari e cappelle adornate con capolavori artistici. Tra le opere principali si trovano La Conversione di San Paolo di Ercole Procaccini (1573), La Madonna con il Bambino e Santi di Bartolomeo Passarotti (1565), che firmava con il disegno di un passero, e Le Nozze mistiche di Santa Caterina d’Alessandria di Innocenzo da Imola (1536). Spicca anche il San Rocco di Ludovico Carracci.
La Cappella Poggi, voluta dal cardinale Giovanni Poggi, venne progettata e decorata da Pellegrino Tibaldi con affreschi sulla vita di San Giovanni Battista. Nel coro si distingue la Cappella Bentivoglio, acquistata da Annibale Bentivoglio nel 1445 e rinnovata poco dopo da Pagno di Lapo Portigiani da Fiesole. Al suo interno si trova uno dei dipinti più celebri di Bologna: La Madonna con Bambino in trono con santi e angeli di Francesco Francia (1494). Sulla parete destra, una tela di Lorenzo Costa raffigura la famiglia Bentivoglio in adorazione della Vergine, mentre sulla sinistra, il medesimo artista dipinse nel 1490 Il Trionfo della Fama e della Morte.
Tra le altre cappelle degne di nota vi è quella con La Presentazione al Tempio, capolavoro di Samacchini (1575), e la Cappella Maggiore, decorata con dipinti del Laureti. Alle spalle della chiesa di San Giacomo si trova l’Oratorio di Santa Cecilia, impreziosito dagli splendidi affreschi realizzati nel 1506 da Amico Aspertini, Lorenzo Costa e Francesco Francia
