Žvelgiant į Panevėžio katedrą iš išorės ji atrodo mažesnė, nei yra iš tiesų. Tokį įspūdį lemia architektūrinis sprendimas – aukštas šventovės bokštas, plokščias stogas ir žemas cokolis. Įėjus į katedros vidų atsiveria tikroji jos didybė, maloniai nustebinanti žmogų.
Katedros vidus padalytas į tris navas. Taip pat įrengta koplyčia Švč. Sakramentui – jo garbei popiežius Pijus XI buvo padovanojęs monstranciją. Virš zakristijos įrengti du aukštai. Laiptai ir perdengimai – betoniniai. Katedros durys – ąžuolinės, meniškai raižytos; langai – dvigubi. Grindys išklotos cementinėmis spalvotomis plytelėmis, bet po remonto uždengtos parketu, kuris tarnauja ir šiandien. Po grindimis įrengtas šildymas.
Didysis altorius – tai vyskupo Kazimiero Paltaroko dovana katedrai. Altoriaus mensa – mūrinė, iš akmens ir plytų, iš viršaus pridengta balto marmuro lenta, iš šonų apdėta raižytomis ąžuolinėmis lentomis. Ją supa treji mediniai laiptai, prieinami iš visų keturių pusių.
Tabernakulis yra pagamintas iš ąžuolo, gausiai paauksuotas, su greta klūpančių dviejų angelų statulomis. Tai J. Rifesserio dirbtuvėse pagamintas kūrinys. Virš tabernakulio pastatyta Kristaus Karaliaus statula. Tai pirmojo profesionalaus Lietuvos skulptoriaus Juozo Zikaro (1881-1944) darbas. Altorių gaubia gelžbetoninis baldakimas, paremtas keturiomis kolonomis, apstatytas angelų statulomis (aut. V. Jakševičius). Baldakimo viršų vainikuoja karūna su kryžiumi.
Už altoriaus apsidės lubose – daugiafigūrės kompozicijos freska „Šv. Kazimiero pasirodymas lietuvių kariuomenei ties Polocku“ (1931-1933) (sauso glaisto technika, kurios dažų jungiamajai medžiagai buvo naudojami kiaušiniai). Joje vaizduojamas šv. Kazimiero pasirodymas Lietuvos kariuomenei, kovojusiai su gausesne rusų armija, kuris nulėmė lietuvių pergalę. Istoriniu požiūriu ši freska netiksliai pasakoja įvykį, tačiau ja norima pabrėžti ypatingą šv. Kazimiero globą. Tai J. E. vyskupo Kazimiero Paltaroko kompozicija, sumaniai realizuota tarpukario dailininko Jono Mackevičiaus (1872-1954). Freskos dydis – 22 m ir 14 m. 2004 m. freska buvo restauruota.
Sienoje už altoriaus nutapytos Panevėžio vyskupijos tuometinių dešimties dekanatų bažnyčios. Taip buvo norima pavaizduoti katedrą kaip visų vyskupijos bažnyčių motiną.
Presbiterijos kairėje pusėje meniškai iš ąžuolo išdrožtas, brangia medžiaga išmuštas, po iškilmingu baldakimu įrengtas vyskupo sostas. Tai kanauninkų kapitulos auka katedrai.
Švč. Sakramento koplyčioje (kairėje navoje) stovi ąžuolinis Švč. M. Marijos altorius, 1931 m. pagamintas J. Rifesserio dirbtuvėse. Altoriuje kabo paveikslas – italų dailininko Rafaelio Siksto Madonos paveikslo kopija (nutapyta dail. Jono Mackevičiaus). Viršuje pakabintas mažesnis paveikslas, kuriame vaizduojamas šv. Kazimieras. Šonuose pastatytos arkivyskupo šv. Alberto ir šv. Monikos statulos. Taip pat koplyčioje stovi jaunimo globėjo klieriko šv. Aloyzo statula su įrašu: Šv. Aloyzai, jaunimo Patrone, tavo globai pavedame katalikiškąjį jaunimą; vesk jį Dievo ir Tėvynės meilės keliais. Šią statulą 1932 m. lapkričio 10 d. minint 33 metų kunigavimo sukaktį pastatė vyskupas K. Paltarokas su daugeliu kunigų.
Tarp didžiojo ir Švč. M. Marijos altorių stovi medinė XVII a. per. šv. Kazimiero skulptūra (vyskupo K. Paltaroko rūpesčiu atvežta iš Utenos bažnyčios varpinės), perkelta iš kriptos. Šv. Kazimieras, kaip Panevėžio vyskupijos ir jaunimo globėjas, Panevėžio katedroje pagerbiamas dar ne vienu vertingu meno kūriniu.
Šv. Pranciškaus Asyžiečio altoriuje (dešinėje navoje) kabo Nukryžiuotojo Kristaus paveikslas, stovi šv. Pranciškaus Asyžiečio skulptūra. Altorius pagamintas pagal B. E. Muriljo paveikslą – Kristus nuo kryžiaus apkabina šv. Pranciškų. Viršuje - vyskupo šv. Stanislovo paveikslas (aut. S. Rėmeris). Visas altorius – ąžuolinis, pagamintas J. Rifesserio dirbtuvėje. Tarp didžiojo ir šv. Pranciškaus Asyžiečio altorių pastatyta tikinčiųjų labai gerbiama Švč. Mergelės Marijos Nekalto Prasidėjimo statula.
Kryžiaus kelio stotys – medinės, ąžuoliniais rėmais, pagamintos J. Rifesserio dirbtuvėje. Sakykla – betoninė, su gipsiniais ir auksu puoštais ornamentais. Šešios klausyklos bei suolai yra baroko stiliaus, pagaminti iš ąžuolo. Įėjus į katedrą iš abiejų pusių maldininkus pasitikdavo dvi betoninės švęsto vandens vazos (šiuo metu perkeltos į kriptą).
Bruno Goebelio įmonėje Karaliaučiuje (dab. Kaliningradas) pagaminti vargonai katedroje įrengti 1931 m. Vargonai – trijų manualų, su pedalais, dvidešimt penkiais balsais, aštuoniomis kopeliacijomis, dviem laisvomis kombinacijomis,su parengta vieta dvylikai naujų balsų, orą pučia elektrinis motoras. Chorui įrengtas balkonas, kurio šonuose – dvi baltai nudažytos ir paauksuotos meniškos medinės angelų skulptūros. Prie išėjimo sienose pritvirtintos marmurinės plokštės su bažnyčios geradarių (statytojų ir aukotojų ) vardais.
Katedroje yra pirmojo Panevėžio vyskupo K. Paltaroko biustas (lauke virš kriptos įėjimo) ir bronzinis bareljefas kairėje presbiterijos pusėje. Katedros rūsyje įrengta erdvi kripta, kurioje 1958 m. atgulė K. Paltaroko palaikai.
Taip pat katedrai priklauso apie dvidešimt unikalių medinių baroko stiliaus skulptūrų (greičiausiai skirtų Vilniaus Šv. Petro ir Povilo bažnyčios altoriui), datuojamų XVII a. Jos į katedrą buvo perkeltos iš Debeikių bažnyčios (Anykščių r. sav.).
Centrinėje katedros erdvėje, vedančioje didžiojo altoriaus link, nėra šviestuvų. Jie sukabinti šonuose. Taip išreikšta vyskupo K. Paltaroko mintis – įėjęs į katedrą žmogus turi išvysti atvirą didžiojo altoriaus šviesą, joje didingai iškylančią Kristaus Karaliaus skulptūrą.
1933 m. liepos 1 d. laikraštyje „Panevėžio Balsas“ (Nr. 27) apie šią Panevėžio šventovę buvo rašyta: Panevėžio naujoji katedra kaip jūros švyturys kviečia visus į amžinos laimės uostą. Ji gražiausia mūsų tikybinio ir tautinio atgimimo gairė ir skelbs amžiais, kad lietuviai, būdami ištikimiausiais Dievo tarnais, moka branginti ir savo tautinę individualybę. Taigi, jų šūkis „Dievas ir Tėvynė“ nėra tušti žodžiai.
Vaizdingai apie katedrą 1936 metais rašė jos statytojas vyskupas Kazimieras Paltarokas:
Tai erdvi ir itin talpi šventovė ir tokia šviesi, kad, nevargindamas akių, aiškiai matai net tolimiausias jos kerteles. Tai ne viduramži bažnyčia, kelianti į dangų dvasią savo slėpiningais skliautais ir sulaikanti ją nuo išsiblaškymo storomis sienomis ir tvirtais pilioriais, bet puikus sakralinis salionas, pritaikintas modernaus žmogaus nuotaikai ir pažiūroms.<...>
Peržengę slenkstį, nieko nekliudomi, praeiname pro baltus piliorius ir apsistojame prie Dievo stalo. Presbyterijoj po puikiu berninišku baldachimu mus pasitinka Kristus Karalius. Čia Jo žemės sostas. Čia Jis neribotai valdo, skleisdamas tikintiems savo gausias malones. Bet Jo galia apima visą pasaulį, kurio mėgiamąjį kraštelį – Lietuvą su savo puikiomis bažnyčiomis matome atvaizduotą sienos paveiksle.
Aukščiau pakėlę akis, pastebime mylimąjį patroną – šv. Kazimierą. Mėlynoj dangaus erdvėje tarp baltų debesėlių jis pasirodo nusiminusiems tautiečiams, kovojantiems su žiauriais rusais, kurių žymi persvara įbaugino net narsiausius karius. Pamatę Šventąjį, nelaimingieji džiaugsmingai ištiesia į jį rankas, melsdami pagalbos, ir, nusikratę baime, laimingai nuveikia baisųjį priešą. Be abejo, toks galingas Globėjas padės ir mums sunkiuose žemės varguose ir apgins mus nuo sielos priešų.
