L'interno del Battistero (diametro 25,60 metri, lo stesso della cupola del Duomo) ricalca la struttura esterna: sia nella pianta ottagonale, sia nel disegno geometrico del rivestimento marmoreo, sia nella suddivisione in tre fasce orizzontali. La più alta però è in questo caso interamente occupata dalla volta a otto spicchi coperta di mosaici, mentre la mediana ospita i corridoi del matroneo (spazio riservato in origine alle donne).
Il gioco delle ripartizioni geometriche dello spazio torna anche all'interno delle due fasce orizzontali, dove sette degli otto lati sono divisi verticalmente in tre zone da pilastri, lesene ed eleganti colonne monolitiche di marmo cipollino e di granito orientale provenienti dallo spoglio di altri edifici (i templi del Campidoglio romano?). L'ottavo lato è occupato dalla scarsella rettangolare (1202) che ospita l'altare duecentesco.

La decorazione dell'interno fu probabilmente iniziata nella seconda metà dell'XI secolo, mentre ai primi anni del secolo successivo risale il pavimento a tasselli di marmo bianchi, neri, rossi e verdi, splendido esempio di arte medievale dei marmoristi toscani. Sul lato est, verso la Porta del Paradiso, è visibile in terra una grande lapide posta da Strozzo Strozzi nell'XI secolo: raffigura il sistema cosmico tolemaico con il sole e i segni dello Zodiaco. Attorno al sole si legge l'iscrizione "En giro torte sol ciclos et rotor igne" ("Io sole col fuoco faccio girare tortamente i cerchi e giro anch'io"), che si può leggere anche al contrario.
Il resto degli intarsi del pavimento è più semplice, ricorda il disegno di un tappeto e si fa risalire al XII secolo, con parti aggiunte nel XIII (quando il piano fu rialzato e all'esterno si tolse la gradinata che collegava il tempio alla piazza) e anche del XIV secolo. La vasca centrale con pozzetti dove si somministrava il battesimo "per immersione" ancora ai tempi di Dante fu demolita nel Cinquecento dal Buontalenti per ordine di Francesco I de' Medici. L'attuale fonte battesimale in marmo, addossato alla parete sud-est, è opera gotica (1371) di scuola pisana.

Al lato opposto (parete nord-ovest), perfettamente inglobato fra due delle colonne del rivestimento murario, c'è il sepolcro dell'antipapa Giovanni XXIII, ovvero il cardinale Baldassarre Coscia, morto a Firenze nel 1419. Studioso e uomo di lettere, il Coscia era amico di Cosimo "il Vecchio", che volle onorarlo commissionandone la tomba a Donatello e Michelozzo, suoi artisti prediletti. L'opera fu compiuta fra il 1421 e il '27: a Donatello appartengono l'impostazione architettonica e la statua del Papa, giacente sotto il baldacchino, mentre è di Michelozzo il piedistallo con le tre figure (Fede, Speranza, Carità) a bassorilievo.

Accanto, in basso, è la lastra tombale del vescovo Ranieri, morto nel 1113 dopo aver governato la chiesa fiorentina per 42 anni. Fino all'alluvione del 1966 in Battistero si trovava anche un altro capolavoro di Donatello, la grande Maddalena penitente scolpita in legno di gattice dal maestro nell'ultima fase della sua attività (1453-55) e oggi esposta nel Museo dell'Opera del Duomo dopo un restauro che ne ha rivelato i colori originari. L'intera superficie della statua era infatti stata coperta da una cupa ridipintura marrone fra Sette e Ottocento, privandola di quelle lumeggiature dorate che davano luce e spessore al corpo.