La costruzione è a croce latina, il soffitto a capriate. L’altare di legno massiccio fu donato nel 1638 dal Cardinale Giovan Battista Pallotta e l’arciprete Carlo Benedetti nel 1690 provvide a dorarlo ed argentarlo.
Ai lati dell’altare si trovano il cenotafio di Varino Favorino e la tomba di Ludovico Clodio. La pala dell’altare rappresenta i Santi Gregorio e Valentino cui è dedicata la chiesa, con al centro due apostoli. La cappella di sinistra conserva la Madonna del Rosario (olio su tela) con i Santi Francesco e Domenico. La parte superiore è di Andrea de Magistris mentre i due Santi così vigorosi e lotteschi sono di Durante Nobili.
Sempre in questa cappella gli affreschi del Misteri del Rosario (1918) sono di Augusto Mussini (Fra Paolo). Come altre volte, il pittore si trasformò in poeta. Rappresentano uno dei pochi esempi al mondo di arte Liberty a tema religioso. Lo schema decorativo dei Misteri Dolorosi, Gaudiosi e Gloriosi, è costituito da fasci di rose che, da otto antichi vasi posti a due a due alle basi degli angoli, salgono al soffitto, girano sugli archi e si ricongiungono a ghirlanda sorretti da quattro angeli e dai festoni si dilatano su un cielo luminoso frastagliato da candide nubi.
I Misteri Dolorosi in basso sullo stilobate, sono simboleggiati da un fregio di figure terrene e celesti che esprimono dolore nella tonalità rossa che richiama il sangue della passione. I Misteri Gaudiosi sono simboleggiati dal giallo ove s’immergono figure di Angeli vaganti nel cielo, sempre più incorporei. I Misteri Gloriosi sono ridati da una visione luminosa con una miriade di putti dai movimenti arditi e dai visi sorridenti che esprimono la Gloria dei Cieli.