Рельефы с изображениями орлов на капителях диагональных колонн, как и весь декор храма, отличаются пластичной прорисовкой, подчёркнутой выразительностью образов. Резные детали были раскрашены: на капителях сохранились следы красной краски. Остатки красочного слоя на боковых сторонах пилонов и в центральном пространстве свидетельствуют о том, что своды и стены храма были расписаны. При раскопках церкви обнаружены мозаичный крест из смальты и живописный фрагмент, имитирующий поверхность мрамора. Мозаика могла покрывать конху апсиды, под которой обнаружены фрагменты и кубики. Вследствие раннего разрушения интерьер Звартноца не претерпел изменений, связанных с развитием средневековой богослужебной практики. Археологический материал позволил исследователям реконструировать уникальное литургическое пространство. Алтарная преграда высотой около 1,3 м огораживала почти весь подкупольный квадрат; её исследователи реконструируют на основе изучения сохранившихся восьми обломков плит и 13 столбиков, а также обследования восточных подкупольных устоев храма. Изначально под невысоким алтарным возвышением располагалось помещение (ризница?), куда вели каменные лестницы, и которое имело деревянное перекрытие. В дальнейшем (точное время исследователями не определено) оно было засыпано и создано высокое алтарное возвышение. В самом центре храма существует круглое, выложенное камнем углубление с лестницей (в нём, по мнению исследователей, находились мощи Григория Просветителя), над которым была воздвигнута цилиндрическая полая изнутри (внутренний диаметр 1,72 м) конструкция, украшенная снаружи аркатурой на 12 полуколоннах (её нынешнее место – над алтарным возвышением). Высота её внутреннего пространства достигала 2,4 м, над полом храма она выступала на 1,12 м и перекрывалась, как полагают исследователи, цельной плитой. По их мнению, эта конструкция могла совмещать функции престола, реликвария и амвона. Архитектура Звартноца оригинальна, храм не имеет прямых прототипов, хотя в замысле Звартноц наряду с Эчмиадзином, основанным Григорием Просветителем в начале IV в. и капитально восстановленным за 20 лет до строительства Звартноца католикосом Комитасом I Ахцеци (около 613 – 628 гг.), важнейшую роль могла играть ориентация на главную святыню христианского мира – ротонду Гроба Господня в Иерусалиме, с которой связывались представления о Небесном Иерусалиме. По мнению исследователей, пристальный интерес мог быть вызван недавним восстановлением храма (после разрушения персами в 614 г.) и последовавшим затем занятием Иерусалима арабами (638 г.), из-за которого величайшая святыня оказалась за пределами владений христианских государей. Образ трёхъярусного храма-ротонды ассоциировался с древнейшей святыней национальной церкви, «матерью церквей армянских», каковой считался Эчмиадзин.