Al interior de la Iglesia de Santa Filomena se observan los pilares fasciculados y decorados con pintura de efecto marmolado.
En el interior de la puerta de entrada se observa que está decorada al estilo de una portada gótica, con arquivoltas que forman sucesivos arcos ojivales crecientes. Continúa con una decoración dorada pintada en los muros de distintos motivos simbólicos, incluyendo un monograma de Santa Filomena. El remate superior de esta portada es un conjunto de nervaduras decoradas pictóricamente que ornamentan la unión con la planta superior.
La nave central es más alta que las laterales y se encuentra rematada en una bóveda de crucería, desde la cual cuelgan 5 lámparas hexagonales. En la parte superior se encuentra el remate con vitrales. Los motivos de los vitrales ubicados en esta nave son religiosos con la curiosidad que en ellos están escritos los nombres de los donantes. De sur a norte, por la izquierda: Sra. Loreto Cousiño de Lyon, Villaseca Ossa, señorita Olea, Paulina Clunes e Isidora Lyon. Por el lado derecho: Ricardo Lyon Pérez, Carlos Cousiño Goyenechea, Círculo Social del Patronato, Santa Filomena, Juan Nazar y Adriana Cousiño e Instituto Juan Pablo. En todo lugar de los muros existe profusa decoración que se encuentra pintada con motivos orgánicos en unión con cruces y símbolos religiosos. Los colores que se trabajan los ornamentos son principalmente celeste y dorado sobre fondo marrón.
En el transepto la decoración es similar. Sin embargo, los vitrales que rematan la parte superior se basan en la temática de la vida de Santa Filomena, y rematan en ambos lados en un rosetón. El conjunto de vitrales relacionados a Santa Filomena son nueve y no están en un orden cronológico exacto, los cuales muestran los pasajes más importantes en la vida de la Santa. Éstos fueron realizados en el taller de Félix Gaudin y arribados a Santiago en 1905. De estilo neogótico, sus formatos son verticales rematados en arcos ojivales y su técnica es de vidrio pintado y horneado.
El altar mayor se ubica en el ábside de la nave central, el cual es deambulable por la parte posterior. Posee un templete dorado de estilo gótico con un pináculo bastante alto semejante a las catedrales góticas europeas. Dentro de este templete se guarda el Santísimo Sacramento.
Para reconocer las escenas de las vidrieras se hace necesario tener claridad en la historia de la Santa. Sus padres eran presa del sufrimiento ya que no podían concebir hijos, hasta que fueron sanados por un médico romano y abrazaron la religión cristiana. A la hija que tuvieron le pusieron por nombre “Lúmen”, luz de la fe (Filomena), la cual creció con todos los cuidados que sus padres le podían dar. A los trece años Filomena acompañó a su padre a Roma para establecer un tratado de paz con el emperador Diocleciano en representación de uno de los pequeños países griegos de ese entonces. El emperador le ofreció la paz y la protección del pueblo a cambio de Filomena. Si bien el padre pensaba en lo bueno de la oferta no sabía que Filomena ya seguía el camino del Señor, negándose en todas las ocasiones en que sus padres le pedían que accediera al matrimonio. El emperador montó en cólera y procedió a torturarla y a encarcelarla. A los treinta y siete días de prisión se le apareció la imagen de la Virgen con el Niño, indicándole que en tres días subiría al cielo. Así, Filomena fue tirada al río atada de piedras, siendo salvada por dos ángeles. Posteriormente fue atada a un tronco para ser muerta a través de flechas, pero al ser disparadas éstas se devolvían y daban muerte a los arqueros. Al tercer día fue mandada a decapitar por el emperador, cumpliéndose el plazo dado por la Virgen que, según la tradición, sucedió un 10 de Agosto.
Las escenas representadas en las vidrieras corresponden a: El descubrimiento de la tumba de Santa Filomena, La sentencia de arrojar a Santa Filomena al rio, La sentencia de la decapitación de Santa Filomena, La sentencia de las flechas, La ascensión de Santa Filomena, La aparición de la Virgen con el Niño, El emperador Diocleciano pide la mano de Filomena, Educación de Filomena y La consagración de Santa Filomena.
En ambos extremos del transepto se ubican altares, decorados con motivos arquitectónicos asociados al estilo neogótico. En el lado derecho se representa un altar con la crucifixión de Cristo, y en el lado izquierdo el altar está dedicado a la Santísima Virgen con el niño.
En las naves laterales, realizadas en bóveda de crucería, existen tanto confesionarios, realizados en madera y decorados con elementos arquitectónicos góticos relacionados con el estilo general del templo, como altares. Así, se pueden observar conjuntos dedicados a Santa Filomena, la Santísima Virgen y La Piedad.
