Hay una girola de dieciséis lados con una galería en la parte superior rodeando la cúpula octogonal central. El plan y la decoración deben mucho a la Basílica de San Vitale, en Rávena, del siglo VI. De hecho, Carlomagno visitó Rávena tres veces, la primera en 787. En ese año escribió al Papa Adriano I y pidió «mosaicos, mármoles y otros materiales de pisos y paredes» en Roma y Rávena, para su palacio.
La construcción, que incluye bóvedas de cañón e ingle y una bóveda de claustro octogonal en la cúpula, refleja las prácticas románicas tardorrománicas o prerrománicas en lugar de las técnicas bizantinas empleadas en San Vitale, y su planta simplifica la compleja geometría del edificio de Rávena. La chapa de mármol multicolor se utiliza para crear un interior suntuoso. La capilla hace uso de la antigua espolia, posiblemente de Rávena (Einhard afirmó que eran de Roma y Rávena), así como de materiales recién tallados. La decoración de bronce es de extraordinaria calidad, especialmente las puertas con cabezas de leones y las barandillas interiores, con sus columnas de orden corintio y rollos de acanto.
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La cúpula fue decorada originalmente con un fresco, y más tarde con mosaico. En el período barroco, fue reemplazado por estuco. El mosaico original fue reproducido en el siglo XIX con la misma iconografía que el original. Representa a los veinticuatro ancianos del Apocalipsis con coronas y de pie alrededor de la base de la cúpula. Sobre el altar mayor, y frente al trono real, hay una imagen de Cristo en Majestad. La galería superior de la capilla era el espacio real, con un área de trono especial para el rey, luego emperador, que daba al espacio litúrgico de la iglesia y al atrio exterior también.
La entrada principal está dominada por una obra del oeste que comprende la fachada occidental, incluido el vestíbulo de entrada, habitaciones en uno o más niveles superiores y una o más torres. Tienen vistas al atrio de la iglesia. La adición de una obra occidental a las iglesias es una de las contribuciones carolingias a las tradiciones arquitectónicas occidentales.