Внутреннее пространство храма поражает исследователей сложностью ритмической организации и грандиозностью архитектурных масс. Выступам крещатых опор на боковых стенах соответствуют пилястры, пяты арок опираются на импостные капители, базы опор профилированы. Центральный неф освещается двучастными окнами в верху торцевых стен и небольшим окном апсиды, боковые нефы – небольшими окошками торцевых стен и люнетами (высота около 1,3 м) поверх входов. Нынешние своды, возведённые из кирпича, – результат перестройки храма в XVII в. Первоначально средний неф возвышался над боковыми и хорошо освещался окнами, находившимися в основании свода. Болнисский Сион, будучи самым ранним из декорированных храмов Грузии, отличается от более поздних купольных храмов скупой орнаментикой. Системное применение декоративной отделки (округлые сечения полуколонн и пилястр, профилировка баз, резьба капителей, «сухарики» в карнизах сводов) характерно только для северной галереи (нартекса). Декор в интерьере ограничен капителями пилястр, фланкирующих триумфальную арку. Расположение и сюжеты рельефов в баптистерии и южном притворе определены функцией этих помещений. Рельефы Болнисского Сиона выполнены из того же материала, что и здание, отличаются небольшой высотой, сюжеты не повторяются, в их расположении отсутствует регулярность, а в композиции – симметрия. Интерес для исследователей представляют геометрические и растительные орнаментальные мотивы, среди которых изображения креста, павлинов, летящей птицы с венком в клюве, оленей (серн), преследуемых медведем или с двумя львами по сторонам, деревьев и растений. Геометрический орнамент представлен «плетёнками» из пересекающихся кругов, поясков из треугольных зубцов. По мнению Г.Н. Чубинашвили, изображениями на столбах и стенах равноконечного креста в медальоне были отмечены места, где во время богослужения стояли вкладчики и строители Болнисского Сиона. Укрепление и реставрация Болнисского Сиона производились в 1936–1939 и 1970–1971 гг.