Es gibt ein sechzehnseitiges Ambulatorium mit einer Galerie, die die zentrale achteckige Kuppel umgibt. Der Plan und die Dekoration verdanken viel der Basilika San Vitale aus dem sechsten Jahrhundert in Ravenna. In der Tat besuchte Karl der Große Ravenna dreimal, das erste Mal 787. In diesem Jahr schrieb er an Papst Hadrian I. und bat um „Mosaik, Marmor und andere Materialien von Böden und Wänden“ in Rom und Ravenna für seinen Palast.Die Konstruktion, einschließlich Fass- und Leistengewölbe und eines achteckigen Kreuzgangsgewölbes in der Kuppel, spiegelt eher spätrömische oder vorromanische Praktiken wider als die byzantinischen Techniken, die in San Vitale angewendet wurden, und ihr Plan vereinfacht die komplexe Geometrie des Ravenna-Gebäudes. Mehrfarbiges Marmorfurnier wird verwendet, um ein prächtiges Interieur zu schaffen. Die Kapelle verwendet antike Spolien, möglicherweise aus Ravenna (Einhard behauptete, sie stammten aus Rom und Ravenna), sowie neu geschnitzte Materialien. Die Bronzeverzierung ist von außerordentlich hoher Qualität, insbesondere die Türen mit Löwenköpfen und die Innengeländer mit ihren korinthischen Ordnungssäulen und Akanthusrollen.
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Die Kuppel wurde ursprünglich mit einem Fresko und später mit Mosaik verziert. In der Barockzeit wurde es durch Stuck ersetzt. Das ursprüngliche Mosaik wurde im 19.Jahrhundert mit der gleichen Ikonographie wie das Original reproduziert. Es zeigt die vierundzwanzig Ältesten der Apokalypse, die Kronen tragen und um die Basis der Kuppel stehen. Über dem Hauptaltar und gegenüber dem königlichen Thron befindet sich ein Bild Christi in Majestät. Die obere Galerie der Kapelle war der königliche Raum, mit einem speziellen Thronbereich für den König, dann Kaiser, der in den liturgischen Raum der Kirche und auch in das Atrium draußen einließ.
Der Haupteingang wird von einem Westwerk dominiert, das die Westfassade einschließlich des Eingangsvorraums, Räume auf einer oder mehreren Ebenen darüber und einen oder mehrere Türme umfasst. Diese blicken auf das Atrium der Kirche. Die Hinzufügung eines Westwerks zu Kirchen ist einer der karolingischen Beiträge zur westlichen Architekturtradition.