L'interno, che ha subito profonde trasformazioni tra la fine del Settecento e i primi dell'Ottocento, è a croce latina con tre navate divise da pilastri. Nella navata destra, la prima e la seconda cappella, comunicanti fra di loro, custodiscono le tombe imperiali e reali dei normanni, intorno alle quali ruota una storia romanzesca e ricca d'interesse.
Ruggero II, re dal 1130, aveva stabilito già nel 1145 che il Duomo di Cefalù da lui fondato diventasse il mausoleo della famiglia reale. In tal senso aveva predisposto la sistemazione di due sarcofagi in porfido, un granito molto prezioso e di notevole durezza, originario dell'Egitto, dal colore rosso cupo che, nell'antichità, era usato esclusivamente per le commissioni imperiali. Alla sua morte nel 1154, però, egli venne sepolto nella Cattedrale di Palermo in un avello di porfido dalla forma molto più semplice.
Nel 1215 Federico II fece trasportare i due sarcofagi da Cefalù alla cattedrale di Palermo destinandoli a sé e al padre Enrico VI. Il sarcofago di Federico II è sormontato da un baldacchino con colonne in porfido e l'urna è sorretta da due coppie di leoni. Insieme a quelli di Federico II, sono stati conservati anche i resti di Pietro II di Sicilia. Le altre tombe sono quelle di Costanza d'Aragona, sorella del re d'Aragona e moglie di Federico II, di Guglielmo, duca d'Atene figlio di Federico III di Sicilia, e dell'imperatrice Costanza d'Altavilla, figlia di Ruggero II e madre di Federico II. La visita alle tombe imperiali è a pagamento, tanto che le prime due cappelle della navata destra sono state chiuse da transenne in legno per non permettere il libero accesso ai visitatori, a costo di rovinare l'estetica e la bellezza interna della Cattedrale.