L'interno della cella ha un diametro di circa 4 metri e mezzo, cosicché non rimane spazio per le celebrazioni liturgiche: questo probabilmente significa che il tempietto fu costruito non con funzioni di chiesa, ma come un vero e proprio monumento celebrativo, in questo caso del martirio di san Pietro (il Gianicolo, dove sorge il tempietto, era tradizionalmente considerato il luogo dove il santo aveva subito la crocifissione).
Anche in questo progetto del Bramante torna come riferimento il numero perfetto che configura la pianta circolare con 2 peripteri da 16 pilastri. Le paraste scaturiscono anch'esse dalla centralità del progetto in quanto sono dimensionate mediante la proiezione dal centro; quelle anteriori le colonne sono più piccole, quelle posteriori più larghe.
La cupola, realizzata in conglomerato cementizio (alla maniera degli antichi), ha un raggio pari alla sua altezza, e all'altezza del tamburo su cui si appoggia; in questo ha un chiaro rapporto con il Pantheon (nel quale la cupola, anch'essa una semisfera, è alta la metà esatta dell'edificio completo).