W drugiej połowie XIV w. powstało wydłużone jednonawowe prezbiterium przykryte sklepieniem gwiaździstym. Światło wpada do wnętrze przez wysokie okna z witrażami. Średniowieczne witraże zachowały się tylko w trzech oknach; pozostałe pochodzą z XIX w., a wykonane zostały m.in. przez Stanisława Wyspiańskiego i Józefa Mehoffera.
Po obu stronach prezbiterium ustawiono w XVI w. nakryte baldachimami stalle, do których wiek później dodano płaskorzeźbione zaplecki ze scenami z życia Chrystusa i Maryi.
Lata 1477-1489 przyniosły świątyni ołtarz główny dłuta Wita Stwosza, uważany za arcydzieło rzeźbiarskie późnego gotyku.
Pod koniec XIV stulecia kościół przybrał formę bazyliki z nawą główną wyższą od naw bocznych, a korpus przykryto sklepieniem krzyżowo-żebrowym.
Wieża północna została podwyższona i przystosowana do pełnienia funkcji strażnicy miejskiej. W 1478 roku Maciej Heringk nakrył wieżę charakterystycznym wielobocznym hełmem, który w 1666 roku został ozdobiony złoconą koroną maryjną.
XVIII w. przyniósł decyzję o wprowadzeniu do wnętrza kościoła estetyki barokowej. Pracami kierował Franciszek Placidi. To jego autorstwa jest prowadząca do kościoła barokowa kruchta wybudowana w połowie XVIII w. Jej wieloboczna forma architektoniczna zwieńczona ażurową wieżyczką naśladuje kaplicę Grobu Pańskiego w Jerozolimie. Drewniane drzwi do kruchty zdobią rzeźbione głowy proroków, apostołów i polskich świętych wykonane w 1929 roku przez Karola Hukana.
W 1795 roku zlikwidowano przykościelny cmentarz, a pozyskany w ten sposób teren od tej pory znany jest jako Plac Mariacki. Część epitafiów z terenu cmentarza została wmurowana w ściany kościoła.
Pod kierunkiem Tadeusza Stryjeńskiego przeprowadzono u schyłku XIX w. kompleksową restaurację świątyni. Kościół Mariacki zyskał wtedy m.in. nową dekorację malarską projektu Jana Matejki, przy wykonaniu której pracowali m.in. Stanisław Wyspiański i Józef Mehoffer. Sklepienie imituje gwiaździste niebo, a ściany pokryte są malowidłami z motywami ornamentalnymi, heraldycznymi, tekstami modlitw maryjnych i postaciami aniołów grających na instrumentach lub trzymających banderole z tekstem Litanii Loretańskiej.
