Wer die Kirche durch das kleine barocke Westportal betritt und den Vorraum unter der Orgelempore hinter sich gelassen hat, der blickt in einen hochgeschossen und langgezogen wirkenden Kirchenraum. Typisch für Kartäuserkirchen ist die Einschiffigkeit. Als das Gotteshaus noch den Kartäusern gehörte, trennte ein Lettner den Raum in zwei Teile. Im Osten befand sich der Chor der Priestermönche, im Westen jener der Brüdermönche.
Das Kreuzrippengewölbe wird von hoch sitzenden schmucklosen Konsolen getragen. Flache Rundbogennischen sind unterhalb der Konsolen in die Wände der Längsseiten eingelassen. Sie sind ein Relikt der Barockzeit, in der Wandmalereien die Kirchewände überzogen. Spuren dieser farbenprächtigen Ausmalung haben sich bis heute erhalten. Bei der Restaurierung nach dem Zweiten Weltkrieg strebte man allerdings eine Wiederherstellung des vorbarocken Zustandes an, der von der ursprünglichen Schlichtheit der Kartäuserkirchen zeugt.
Die Westempore diente den Kartäusern als Gästeempore, heute steht hier die Orgel. Hinter ihr durchbricht ein großes, vierbahniges Maßwerkfenster das Mauerwerk.
Ein Merkmal vieler Kartäuserkirchen, das man auch in Köln vorfindet, ist das aus fünf Seiten eines Achtecks gebildete Chorpolygon. Der Chor mit dem Altar ist gegenüber dem restlichen Raum um einige Stufen erhöht. Der Bildhauer Gerhard Marcks, von dem auch die Skulptur des Albertus Magnus vor der Kölner Universität stammt, entwarf 1953 Taufschale und Altar für die Kartäuserkirche. Das bronzene Altarkreuz und die vier Leuchter stammen ebenfalls aus seiner Hand.
Die Kirchenfenster
Die Kirchenfenster wurden zwischen 1954 und 1957 von Carl Crodel angefertigt. Im Chorscheitel stellt ein vielfiguriges Fenster das Leben Jesu gemäß dem biblischen Bilderverbot dar – ohne ihn selbst abzubilden. Die Fenster links und rechts davon zeigen, in ähnlich reduzierter Manier, nur die unabdingbar notwendigen Symbole, um zum einen das Sakrament der Taufe, zum anderen das Sakrament des Abendmahls zu erkennen. Das vierte Fenster im Chor ist dem Alten Testament gewidmet. Sechs untereinander angeordnete Medaillons verweisen auf Schlüsselszenen wie den Sündenfall oder die Sintflut. Sie werden von kleineren Medaillons umgeben, die mit christlicher Symbolik behaftete Tiere wie den Pelikan, den Hirsch oder die Schlange abbilden.
Die Fenster der Nordwand schmücken schlichte Ornamente in Grisaille-Technik. Durchgehendes Motiv der Südwandfenster ist der Weinbau. Wein als fester Bestandteil der Liturgie und als Hinweis auf das Abendmahl ist in dieser Fensterreihe allgegenwärtig. Das östlichste Fenster der Südwand spielt darüber hinaus auf die Geschichte der Kartäuserkirche an. Der Betrachter sieht das Wappen des Kartäuserordens mit dem Gründungsdatum der ersten Kartause bei Grenoble, eine Zeichnung der Kölner Kartäuserkirche St. Barbara mit dem Datum der Kirchweihe und der Nennung des Baumeisters und die Heilige Barbara mit dem Turm, die Namenspatronin der Kölner Ordenskirche. Die Brücke zur evangelischen Gegenwart der Kartäuserkirche schlägt eine Abbildung des Bergfrieds der Wartburg, wo Luther das Neue Testament ins Deutsche übersetzte.