Kaplicę wzniesiono na planie kwadratu. Przykrywa ją charakterystyczna kopuła, w latach 1591-1592 z zewnątrz bajecznie ozłocona. Złocenie, tak odróżniające ją od reszty katedry, dodano z inicjatywy Anny Jagiellonki. Odgradzająca kaplicę od ambitu brązowa krata wyszła z norymberskiego warsztatu Hansa Vischera na początku lat 30. XVI w. Na kracie umieszczono herby Polski, Litwy i rodowy emblemat Sforzów. Warto zwrócić uwagę na wiszące nad wejściem XVI-wieczne portrety: w środku Zygmunta Starego (kopia oryginału z 1547 r.), a po bokach Anny Jagiellonki w stroju koronacyjnym i wdowim.
Architektura
Jest to pierwsza w pełni renesansowa budowla w Polsce o bogatym programie ideowym. Kaplica na planie centralnym zamknięta kopułą wspartą na bębnie z latarnią. Prosta kompozycja z zewnątrz kaplicy, określona została jako zespół czterech brył geometrycznych, spiętrzonych w trzech kondygnacjach: przyziemia w formie sześcianu stanowiącego korpus, 2 cześć tworzą- ośmioboczny, regularny graniastosłup bębna, przepruty kolistymi oknami oraz wydłużona kopuła, ostatnia cześć - walcowata latarnia z dekoracyjnym zwieńczeniem. W wspomnianych kondygnacjach występują pilastry w tzw. porządku spiętrzonym, który jest typowym antycznym motywem rzymskim i występuje np. w Koloseum.
Korpus
Elewacja południowa korpusu, w przyziemiu łamany cokół z trzema prostokątnymi polami, w 2 polu znajduje się tablica z inskrypcją. Cokół łamie się odpowiednio w miejscach znajdujących się nad nim pilastrów. Powyżej wyróżniamy 3 ośe dzielone kanelowanymi toskańskimi pilastrami. Przestrzeń między nimi wypełniają 3 geometryczne pola, ustawione wertykalnie i oddzielone od siebie horyzontalnymi pasami. Pola występują w kolejności rąb, prostokąt z zdobieniem uszatym oraz ponownie rąb. W środkowej osi (tak jak w cokole) wspomniany prostokąt posiada inskrypcję, a nad nim zamiast rąbu widzimy 8-kątny kartusz herbowy wpisany w koło. Pole tarczy] wypełnia ukoronowany orzeł z wstęgą (orzeł Zygmunta starego). Na pilastrach wspiera się belkowanie. Fryz ciągły wypełniony maksymą „NON NOBIS DOMINE NON NOBIS SED NOMINI TUO (nie nam, Panie, nie nam, ale imieniu twemu). Całość od tamburu oddziela jajownik , pas kroksztynu oraz gzyms koronujący z szczytu którego zwisa ciąg niewielkich złotych kończyn.
Bęben
Bęben z zewnątrz na planie ośmioboku, wewnątrz przechodzi w plan okrągły. W każdej z ośmiu ścian znajduje się kwaterowany oculus, rozszerzający się na zewnątrz. Ścianki rozszerzeń bogato rzeźbione. Widać na nich zamknięte w koła : panoplia, ptasie łby, wizerunki słońc oraz stylizowane kwiaty. Całe przeźrocze oplata ornament sznurowy. Narożniki tamburu przyozdobione kanelowanymi pilastrami o jońskich kapitelach. Żagielki między pilastrami a oculusem wypełniają przeróżne motywy (główki aniołków między skrzydełkami, wici liści akantu, kwiaty, maszkarony. Dalej widzimy wsparte o pilastry belkowanie z ciągłym perełkowaniem pod gzymsem.
Kopuła
Kopuła pokryta złotą blachą z wzorem rybiej łuski. Na środku południowego spadu kopuły przymocowany jest ciemny orzeł z koroną. Na szczycie kopuły znajduje się walcowata latarnia z ośmioma wąskimi przeźroczami. Obramienia okienne w formie arkad. Przestrzeń między oknami, zdobiona jest przez pilastry kompozytowe o rzeźbionych trzonach z motywem plecionej w warkocz wstęgi. Następnie, belkowanie bez dekoracji. Całą latarnie przykrywa korona, podkreśla ona funkcje kaplicy. Zwieńczeniem całego dzieła jest pół klęczący na kuli anioł, trzymający koronę królewską z której wyłania się krzyż łaciński (symbolizuje to suwerenną władze daną od samego boga).
Wśród istniejących kaplic włoskich brak jest analogii. Istnieje natomiast rysunek Leonarda da Vinci, który mógł stanowić inspiracje dla rozwiązań zewnętrznych kaplicy.
Dekoracja wnętrza
Jako dzieło architektury renesansowej, kaplica powstała przez pokrycie masy muru, tworzącej właściwą konstrukcję, dwustronną okładziną w postaci podziałów, stanowiących pozorny, ramowy szkielet konstrukcyjny, oparty na zasadzie antycznych porządków.
Relatywnie ubogie zdobienia elewacji rekompensują szczególnie bogate opracowanie wnętrza w konwencji Horror vacui. Jako kaplica na pół prywatna została oddzielona od katedry dekoracyjną kratą. Ściany korpusu z powodu występujących wewnątrz nisz tworzą w rzucie plan krzyża greckiego. Na zachodniej ścianie znajduje się nagrobek Zygmunta II Augusta a ponad nim jego ojca Zygmunta I starego (zleceniodawca kaplicy), na południowej ścianie umieszczono nagrobek córki Zygmunta Anny, wschodnią ścianę zajmuje ołtarz Zaśnięcia Najświętszej Marii Panny. Wszystkie ściany oplata łamany cokół z polami wypełnionymi arabeską (przeplecioną mitycznymi stworami i maszkaronani) oraz herbami.
Nad cokołem, podziały ścian kopiują motyw 3 przelotowego łuku triumfalnego, z 2 bocznymi przęsłami węższymi i środkowym przęsłem szerszym. Węższe stanowią aedicule nakryte konchą z rzeźbami św. : Piotra, Pawła, Wacława, Floriana, Jana Chrzciciela oraz uważaną za najlepszą w Polsce wolnostojącą renesansową rzeźbę św. Zygmunta. Nad niszami znajdują się tonda z przedstawieniami 4 ewangelistów (Mateusz, Marek, Łukasz, Jan) oraz królów Dawida i Salomona. Salomonowi nadano rysy twarzy Zygmunta I, Dawidowi nadano twarz ministra Seweryna Bonera, zarządcy dóbr królewskich sprawującego pieczę nad budową kaplicy.
Szersze przęsła zamknięte łukiem pełnym z Archiwoltą (wszystkie łuki w wewnątrz dekorowane i profilowane). Wypełnione na nagrobkiem bądź ołtarzem. Rzeźby w niszach , tonda, nagrobki oraz ołtarz zrobione są z czerwonego marmuru węgierskiego a architektoniczne obramienia z białego alabastru, ta kolorystyka ma nawiązywać do barw godła Polskiego.
Przęsła szersze oddzielone są parami kompozytowych pilastrów. Trzony pilastrów wspierających łuk, dekorowane zwisem, podwieszonym o maszkarony. Trzony pilastrów wspierających belkowanie ozdobione ornamentem kandelabrowym z maszkaronami na kapitelach, wyjątek stanowi przęsło z nagrobkami Zygmunta I i II, w całości po gzyms koronujący zrobione z czerwonego marmuru, flankujące nagrobki pilastry udekorowane na trzonach, wertykalnie 5-cioma głowami putt, przestrzenie między głowami wypełniają owoce. Pachy łuków z głowami aniołów . Pilastry wspierają łamiące się nad nimi belkowanie. W fryzie ciągłym na wszystkich ścianach wykuto maksymę oraz fragment psalmu
Powyżej widzimy perełkowanie oraz łammy gzyms koronujący. Na którym wspierają się dwa wpisane w siebie łuki , mniejszy opiera się o pilastry flankujące szersze przęsło (wspomnianego łuku triumfalnego) a większy opiera się o skrajne pilastry ściany. Mniejszy podzielony jest na 3 części pionowymi pasami. Wszystkie przestrzenie obu łuków wypełnione dekoracją rzeźbiarską, przedstawiające nagie ciała trytonów w fikuśnych scenach (widzimy więc we wnętrzu zestawienie symboli kościelnych oraz pogańskich, symbolizuje to życie zmarłego na które składają się dobre i złe uczynki, oraz jego drogę do zbawienia). Na tej wysokości w narożach występują pendentywy które przekształcają plan obiektu na kolisty. Gładkie pola pendentyw dekorują zawieszone medaliony z godłami, na zmianę Polski oraz Litwy, symbolizuje to jedną władze nad dwoma narodami. Kolisty plan w wnętrzu przyjmuje też tambur.
W bębnie występuje 8 okrągłych otworów okiennych (3 od północy zamurowane w XVIII w.). Między oknami występują pilastry, wszystkie powierzchnie bogato dekorowane. Kopuła sferyczna zdobiona 5-cioma wzwyż na 16-cie wszerz rządów, kasetonów z motywem rozet, kasetony maleją wraz z zbliżaniem się do latarni (80 różnych kasetonów). Rzędy oddzielają poziome i pionowe dekoracyjne pasy, na skrzyżowaniach dekorowane kołami. Kopuła symbolizuje niebo i baldachim rozpięty nad grobem i ołtarzem. Być może jest to nawiązanie do tradycyjnych na Wawelu baldachimowych nagrobków królewskich. Zwieńczeniem kopuły jest wpuszczająca do środka światło
latarnia, na której podniebieniu znajduje się podpis autora kaplicy „BARTHOLOMEO FLORENTINO OPIFICE”.