La iglesia está constituida por una majestuosa nave de planta salón de 49 metros de longitud por casi 12 metros de anchura, con cuatro impresionantes bóvedas góticas de más de 19 metros de altura, bóvedas formadas por numerosos arcos, medallones, pilares, y baquetones adosados que recuerdan a un bosque de piedra. Las capillas laterales le dan un aspecto de cruz latina.

En la cabecera del templo se encuentra el ábside, a la izquierda destaca el rosetón, bajo el cual se encuentra el acceso al camarín de la Virgen, y en el centro la hornacina que sirve de trono a la patrona de Villahermosa, Ntra. Sra. de la Carrasca, y en su ausencia a la titular de la parroquia, Ntra. Sra. de la Asunción. Aquí se encontraba también el retablo del siglo XVI, uno de los elementos más valiosos del templo, probablemente con pinturas de Yáñez de la Almedina (discípulo de Leonardo), pero fue completamente destruido durante la Guerra Civil española.

Le siguen las capillas renacentistas de Ana de Moya a la derecha, a través de la cual se accede a la sacristía (siglo XVI), con bóveda decorada con pinturas al temple, anónimas, datadas en torno a 1750, y la capilla de Pedro Romero a la izquierda, en la que bajo un arco de piedra queda cobijado el Sagrario.

En la parte trasera de la iglesia hay una bóveda de terceletes, sobre la cual está situado el coro, al cual se accede por una escalera de caracol, y actualmente ahí podemos observar una reproducción del Monumento de Semana Santa, obra singular de arquitectura efímera del siglo XVII que representa la Pasión de Cristo. Se colocaba el Jueves Santo para ocultar las imágenes del retablo y envolver la reserva eucarística, tal y como prescribían las normas litúrgicas. Todas las escenas tienen un sentido didáctico y moralizante.

Este monumento es una de las superficies pictóricas más grandes en óleo sobre lienzo que existen en la actualidad en el mundo. Ocupaba prácticamente todo el frente de la iglesia, aproximadamente 150 metros cuadrados de superficie, compuesto por nueve bambalinas de teatro con más de treinta lienzos de dimensiones colosales (de 11 metros de ancho por 14 de alto). Se colgó en su lugar original por última vez en 1980, dado su deteriorado estado de conservación. Actualmente el lienzo de La Santa Cena está expuesto en la capilla del Sagrario y el lienzo del Lavatorio en el presbiterio.

A través de la escalera de caracol también se accede al museo parroquial, siendo de gran interés la custodia y sobre todo la arqueta eucarística, anónima del siglo XVI, destinada a alojar al Santísimo Sacramento desde el Jueves Santo hasta los oficios de Viernes Santo. En la arqueta destaca una pintura con la figura de un pelícano picoteándose el pecho con sus crías alrededor, alegoría del sacrificio de Cristo por la humanidad.

En la tribuna de madera, junto al coro, se encuentra otra de las joyas que alberga esta iglesia, un magnifico órgano barroco de 1747. Pinturas de San Miguel, San Rafael y Santa Cecilia con detalles en pan de oro, decoran esta pieza barroca que consta de cinco castillos y de un teclado de palo santo con novecientos veintiséis tubos. Es uno de los órganos más grandes e importantes de la comarca, junto al de Torre de Juan Abad y Terrinches. Durante la Guerra Civil española sufrió importantes daños y el instrumento permaneció mudo durante más de sesenta años, hasta que fue restaurado en el 2009. Desde entonces han sido numerosos concertistas y organistas de talla internacional como Arturo Barba, Juan Parandell, Francis Chapelet, entre otros, que han ofrecido magníficos conciertos en ocasiones especiales, como Navidad y Semana Santa, con el recuperado y bellísimo órgano de la Iglesia de la Asunción de Villahermosa.