Alla cappella della Santissimo Sacramento si accede salendo quattro scalini, sul primo dei quali è stata collocata una coppia di leoni stilofori, databili al XII secolo. Le sculture, opera caratteristica di maestranze romane, probabilmente in origine ornavano l’ingresso della chiesa medioevale.

Nelle facce interne dei pilastri di entrata e nel sottarco si trovano sei  riquadri lievi a stucco, con gli Angeli con i simboli mariani: la torre, lo specchio, il pozzo, la fontana, il trono e l’arca corrispondono ad altrettanti titoli della Vergine, ricordati dalle litanie lauretane.

Il soffitto ligneo fu fatto costruire dal cardinal Santoro, e poi completato dalla famiglia Orsini di Pitigliano, che alla fine degli anni Venti del Seicento assunse il patronato della Cappella. Il loro stemma è collocato al centro del soffitto. Sul pavimento si trova la lapide funeraria di Alessandro Orsini, bellissima tarsia di marmi policromi, fatta eseguire dal figlio Bertoldo, primo patrono della cappella. Le pareti sono interamente affrescate con le Storie della Vergine, opera di Giovan Battista Mercati, pittore originario di Sansepolcro, giunto a Roma intorno al 1620. Artista di complessa formazione pittorica, difficilmente inquadrabile in formule sintetiche, il Mercati in quest’opera mostra di risentire soprattutto del magistero di Pietro da Cortona. L’opera può essere stata eseguita tra il 1628, data dell’effettiva assunzione del patronato della cappella da parte degli Orsini e il 1631, anno in cui il Mercati eseguì un ciclo di analogo soggetto per la chiesa di Santa Chiara nella sua città natale.

Lungo la parete di sinistra si trovano le scene della Presentazione al Tempio, della Natività di Maria, e dell’Annunciazione. Gli episodi sono scompartiti da affreschi con figure femminili, forse Sibille o allegorie di Virtù, dipinte a monocromo, come statue all’interno di nicchie.

Al di sopra sono state dipinte delle finestre che mettono in comunicazione la cappella con un immaginario spazio esterno. Nella parete è stata murata una palla di cannone, caduta nella cappella attraverso la finestra durante gli scontri della Repubblica Romana del 1849, lasciando illeso l’altare; l’episodio è ricordato da una lapide posta sotto al proiettile. Lungo la parete destra la Visitazione, la Natività di Gesù e lo Sposalizio, e altre due figure femminili. Sulla cornice superiore del paliotto d’altare, riccamente decorato con marmi policromi, la scritta «HIC IACET CORPUS BEATAE THEODORAE MATRONAE ROMANAE» ricorda la presenza delle reliquie della santa, conservate in una cassetta visibile attraverso una finestra ellittica chiusa da una grata. L’affresco dell’absidiola con La Vergine, il bambino e santi fu riscoperto nel 1904 nascosto dietro a una moderna statua della Madonna. I restauri del 1976 hanno rimosso alcune ridipinture di epoca moderna e restituito visibilità all’opera. Si tratta di una realizzazione collocabile nella seconda metà del XII secolo, forse al tempo dei lavori promossi da Papa Alessandro III. L’iconografia del dipinto è del tutto peculiare: una Madonna di grandi dimensioni è seduta sopra un trono privo di dossale e tiene in braccio un bimbo benedicente con un rotuso si trovano tre figure di santi, di dimensioni più ridotte. Questa particolarità ha fatto ipotizzare che si tratti della traduzione murale di un’icona. Nelle immagini dei santi ai piedi della Vergine è stato proposto di riconoscere santa Teodora, le cui reliquie sono custodite nell’altare della cappella, e i santi Abbondio e Abbondanzio.