La planta de la Iglesia alta era igual a la de la baja, como una proyección de la misma hacia arriba, con la única diferencia de presentar un tramo más. Cuenta con tres naves, separadas por pilares cilíndricos, y una cuarta, adosada al muro norte, que en orígen formaba parte del desaparecido palacio del Abad y que ahora alberga las capillas del Santísimo Sacramento, la de la Purísima y la capilla penitencial.

La nave central, más alta y ancha que las laterales, carece de triforio, y sólo tiene dos niveles, el de las arquerías y el claristorio, con sencillas ventanas apuntadas. Destacamos en ella la bóveda del crucero, de crucería simple, única original anterior al incendio, en cuya clave encontramos las tallas de San Emeterio y San Celedonio, patrones de Santander, y, en su base, el Cordero Pascual. El resto del edificio es arrasado por el fuego en 1941; las capillas, los retablos, las vidrieras, el coro, etc. Gracias a la financiación de la Dirección General de Regiones Devastadas el edificio fue rehabilitado y recuperó parte de su esplendor, incorporando retablos y otras piezas escultóricas de factura nueva o procedentes de otros templos del territorio nacional.

Como curiosidad, en las pilastras que se encuentran al entrar al templo, a la derecha, hay unos capiteles con los rostros de los arquitectos Bringas y Resines, Seivane y Álvarez, maestros de las obras de rehabilitación, realizados por el escultor Julián Alangua.

La Capilla Mayor, situada en la nave central, ocupa el tramo más solemne del recinto donde se produce el cruce de la nave principal con el transepto. Es de nueva construcción y está constituida por los elementos litúrgicos más destacados de la iglesia catedral.

El retablo del altar mayor tuvo que adaptarse a la forma poligonal de la nueva girola y procede de la arruinada iglesia de Tamariz de Campos (Valladolid). Es un retablo barroco fechado alrededor de 1710, con ménsulas, estípites y columnas salomónicas, a las que se le han añadido las imágenes actuales, de estética barroca, esculpidas por Julián Alangua en 1950, de la Virgen de la Asunción, patrona del templo, y de los santos Emeterio y Celedonio, titulares de la iglesia. Los relieves del banco son originales y representan al bautismo y nacimiento de Cristo. Abajo, está el coro de madera desde dónde asiste el cabildo de canónigos a las celebraciones litúrgicas.

El altar es de piedra, sobre columnas salomónicas, y está exento, y el relicario que se encuentra debajo recoge la antigua inscripción medieval Multa Corpora Sanctorum hic sepulta sunt (Aquí están sepultados muchos cuerpos santos), que explica la advocación de la antigua abadía Colegial como de los Cuerpos Santos. Junto al altar, la cátedra episcopal,  sede del Obispo y un sencilllo crucifijo de madera.

En la capilla mayor, detrás del altar, se encuentra el coro de sillería con destino a los canónigos de la catedral. Se trata de un conjunto de gran sobriedad como corresponde a su estética escurialense.

No es original, fue trasladado a la catedral durante su rehabilitación en 1953 por la Dirección General de Regiones Devastadas. Procedía del monasterio de San Jerónimo el Real, de Madrid.  Su sillería fue trazada en 1625 por el arquitecto Juan González de Mora.  De sencilla estructura, corresponde a la fase estética clasicista preconizada por su autor. Destaca una talla de San Jerónimo en la cátedra del obispo, animando la oscura sillería.

La visita al interior de la catedral se inicia por el lado de la Epístola, donde se encuentra la capilla de La Visitación, a la izquierda de la puerta de acceso al templo. Es la capilla del templo de mayores dimensiones y se articula en dos pisos, con una cúpula oval rematada con linterna. Fue mandada construir por Antonio de Azoños Escobedo y  su mujer Petronila de Herrera Calderón en 1671.

Conserva un retablo barroco que llegó de la Catedral de Palencia como parte de las piezas artísticas que se recibieron de otras iglesias después del incendio del año 1941. Está presidido por un cuadro de La Visitación, atribuido al pintor Manuel Rodríguez, que copia el original de Rafael en 1778, y en el que se representa la visita de la Virgen María a su prima Santa Isabel. Al fondo, se incluye una escena del Bautismo de Cristo. A ambos lados de la capilla se encuentran las esculturas de Santo Domingo de la Calzada y Santiago Apóstol.

La segunda capilla, en la nave de la Epístola, en el muro sur, está dedicada a la Virgen Bien Aparecida, Patrona de Cantabria y reina de la Montaña, y fue fundada por Juan de Arredondo y Alvarado, procurador de la villa de Santander,  y su mujer Francisca de Herrera, hacia 1604.

La capilla se abre a la nave por medio de un gran vano apuntado, cubriéndose con bóveda de cañón también apuntada. Desde 1955 está presidida por un retablo barroco, probablemente trasladado desde el santuario de la Virgen en Hoz de Marrón,  en cuya columna central está la Virgen Bien Aparecida, de factura moderna,  flanqueada por la imágen de San Roque, de gran devoción en la región, a la izquierda,  y San Francisco, a la derecha, probablemente procedentes del taller de Limpias.  En el piso superior, coronando el retablo, se encuentra la imágen de San Ignacio de Loyola.

En una hornacina abierta en un lateral hay un monumento conmemorativo, con un busto del obispo don José Eguino y Trecu realizado en 1964 por Manuel Pereda de la Reguera.

Fue fundada en 1621 por Sebastián de la Puebla y Cos y su mujer María de Celis, y su traza se atribuye al arquitecto trasmerano Juan de Naveda, que también trabajó para el desaparecido convento de San Francisco de Santander.

Esta capilla, de fuerte acento clasicista, se abre a la nave mediante un arco triunfal . Está presidida por un retablo realizado con posteriordad a 1953, en cuyo altar hay una réplica del Lignum Crucis. En su eje central se encuentra el Sagrado Corazón de Jesus flanqueado a su izquierda, por una talla moderna de la Virgen del Mar, patrona de la ciudad de Santander, a partir de una reproducción de una Virgen medieval,  y a su derecha por una imagen deciochesca de San José.

Antes de realizar el recorrido en el sentido que traza la girola a la derecha se encuentra la puerta de acceso a la antesacristía de la catedral. En la parte superior, a modo de tribuna, hay un lienzo mural de José Cataluña Miralles realizado al fresco en 1959, conmemorativo de las obras de construcción del templo en los que el abad Sancho, hijo de Fernando III, muestra a los mensajeros del rey los planos de las obras.

En la girola que rodea al altar mayor y presbiterio hay acceso a dos capillas dedicadas al rey de Castilla y León, Fernando III el Santo, fundador y promotor de las obras de la iglesia colegial, y a San Matías, apóstol a quien hizo voto la villa por su intercesión durante la terrible peste que asoló y diezmó la población de Santander en 1503.

En su recorrido pueden observarse un interesante conjunto de vidrieras elaboradas en el taller madrileño de Santos Cuadrado entre 1952 y 1953 que sustituyeron a las desaparecidas en el incendio. Representan  escenas de la vida de la Virgen María como la Visitación, la Sagrada Familia o la Adoración de los Magos. Para el resto del edificio se  realizaron otras que representan a Santiago Apóstol o al rey Fernando III el Santo, en el muro oeste, junto a la torre de la catedral.

Esta es una de las primeras capillas que encontramos en la girola, del lado del Evangelio,  y está dedicada a San Matías, que fue elegido apóstol después de la muerte y resurrección de Jesús para sustituir a Judas tras su traición. Fue realizada en piedra procedente del vecino lugar de Escodedo, por el escultor Hoyos, entre 1957 y 1959, al igual que la imágen de San Fernando que se ubica en la capilla siguiente.

La ciudad de Santander tiene a este santo como un intercesor y benefactor contra las epidemias y celebra desde hace más de quinientos años el tradicional Voto de San Matías. Este fue instituido el 12 de noviembre del año 1503 y se trata de un compromiso anual de agradecimiento y reconocimiento a la intercesión del santo a favor de la población de Santander durante una epidemia de peste. La tradición se remonta al hecho que tuvo lugar cuando  la población de Santander, asediada por la peste, dirigió su súplica a los santos para que acabasen con la enfermedad y encendió velas en señal de prerrogativa, permaneciendo encendida únicamente la vela colocada a San Matías, razón por la cual comenzó la veneración de este Santo con la celebración de una procesión y una misa en su honor, como voto anual que se celebra dicho día y que únicamente se vio interrumpido el año 1937, con motivo de la Guerra Civil.

La siguiente capilla que encontramos en la girola de la Catedral está dedicada al rey Fernando III el Santo, benefactor y patrono de la iglesia colegial de los Cuerpos Santos, antecesora de la actual Catedral de Santander.

Se trata de una escultura moderna, tallada en piedra de Escobedo entre 1957 y 1959 por el escultor Hoyos, en cuyos ropajes están tallados los escudos de los reinos de Castilla y León, que consiguió unificar durante su reinado y que habían permanecido separados desde la época de Alfonso VII el Emperador.  El rey porta los tradicionales símbolos que escogió para mostrar su poder y magestad; en su mano izquierda un Orbe y sobre su regazo cae la espada Lobera, cuya reliquia se conserva, en la actualidad, en la Catedral de Sevilla.

En la nave del Evangelio, a la altura del crucero, se encuentra el monumento funerario del  intelectual santanderino don Marcelino Menéndez y Pelayo, obra del escultor Victorio Macho.

El conjunto escultórico está formada por dos grupos de esculturas enmarcadas por un arco gótico, cuya ojiva está recorrida por una doble linea quebrada en zigzag. El superior está formado por una Piedad en bronce patinada en oro, sostenida por ménsulas de piedra, de intenso dramatismo. El inferior está integrado por el túmulo sepulcral con la estatua yacente de Menéndez Pelayo, aquí enterrado, que aparece amortajado con un sayal franciscano y deja caer la mano derecha con una pluma, instrumento con el que escribió su gran obra. El zócalo del sepulcro lleva una inscripción en latín que dice:
«Aquí yace esperando la resurrección Marcelino Menéndez Pelayo, defensor de la Fe católica, gloria de España y honor de los cántabros, que resaltó las gestas de nuestra estirpe, y consumió su breve vida con abundancia de ingenio y de trabajo. 1856-1912. Sus restos y los de sus padres son trasladados a este lugar el 26 de agosto de 1956″.

Siguiendo la visita, encontramos la capilla en la que se expone y venera el Santísimo Sacramento  y está situada en el primer tramo al lado del Evangelio. Fue mandada construir por Fernando de la Riva Herrera, Proveedor General de las Armadas del Mar Océano y Superintendente de Construcción Naval, y su mujer María de Oquendo en 1628, y las trazas se deben al arquitecto trasmerano Juan de Naveda, quien llevó a cabo la obra en compañía del célebre Juan Hontañón. Es un magnífico ejemplo de arquitectura clasicista, con bóveda de cañón con lunetos y cúpula con linterna.

Desde 1956 acoge un sagrario baldaquino obra del escultor H. Novo y un espléndido sagrario ostensorio de plata sobredorada, obra del orfebre burgalés Maese Calvo. En el lucillo de la capilla está la escultura orante del noveno Obispo de Santander, Vicente Santiago Sánchez de Castro, allí enterrado en 1920.

Se trata de una pequeña iglesia con nave, transepto, crucero con cúpula y presbiterio. Presenta bóveda de cañón y cúpula con linterna y sin tambor. En las pechinas aparecen los escudos de los fundadores. Al final de la misma, en la pared norte, hay un cuadro del pintor santanderino, José Ramón Sánchez, que representa con gran acierto y originalidad a Los discípulos de Emaus. Antiguamente recibió el nombre de capilla de Nuestra Señora del Rosario.

Esta capilla está en el lado del Evangelio, entre la capilla del Santísimo y la capilla penitencial, en la cuarta nave que antiguamente formó parte del palacio del Abad de la colegiata. Está presidida por el retablo de la Purísima Concepción, el más antiguo conservado en la Catedral de Santander, procedente de la iglesia románica de Santa María de Bareyo. El retablo fue ensamblado por Rodrigo de los Corrales Isla, del taller de Siete Villas, entre 1605 y 1608, y la escultura se atribuye a Juan de Santiago Concha, vecino de Cudeyo. Está formado por tres pisos. En el piso inferior están las imágenes de San Pedro y San Pablo, y bajo estas, en el banco, hay escenas de la Pasión y de la Resurrección. En el segundo piso, se encuentran los relieves de la Anunciación y la Visitación, y en el ático la Asunción de la Virgen. Fue donado en el año 1954 por el arquitecto Sr. Ibáñez, que,  a su vez, lo había recibido en pago a una rehabilitación efectuada en la iglesia de Bareyo.

La capilla, en orígen, perteneció a la familia de Escalante, para ser enajenada en 1724 por presentar grandes desperfectos y no ser reparada por su titular.