พระอุโบสถ เป็นอาคารที่มีผังตรีมุข หน้าบันรูปพระมหามงกุฎอย่างไทย ประดับกระเบื้องถ้วยและตุ๊กตาหินอย่างจีน เสาหินอ่อนพร้อมลวดลายภายในอย่างตะวันตก ศิลปะสามชาติผสานกันอย่างลงตัว
ภายในพระอุโบสถ เป็นที่ประดิษฐาน พระพุทธชินสีห์ พระพุทธรูปสมัยสุโขทัยจากเมืองพิษณุโลก และ พระสุวรรณเขต พระพุทธรูปสมัยอยุธยาจากเมืองเพชรบุรี ประทับซ้อนกันอย่างสวยงาม มีเพียงไม่กี่วัดที่มีพระประธานองค์ใหญ่ถึง ๒ องค์
องค์พระพุทธชินสีห์นั้นมีความพิเศษ นอกจากจะเป็นที่ศรัทธาของพระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ ๔ แล้ว ใต้ฐานพุทธบัลลังก์ยังเป็นที่บรรจุ พระบรมราชสรีรางคาร พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ ๖
และล่าสุด เมื่อวันอาทิตย์ที่ ๒๙ เดือนตุลาคม พุทธศักราช ๒๕๖๐ ได้มีการอัญเชิญพระบรมราชสรีรางคารของ พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดช รัชกาลที่ ๙ มาบรรจุใต้ฐานพุทธบัลลังก์พระพุทธชินสีห์ จึงนับว่า วัดบวรนิเวศวิหาร เป็นวัดประจำรัชกาลที่ ๖ และรัชกาลที่ ๙
เบื้องหน้าฐานพระประธาน ประดิษฐานรูปหล่อของสมเด็จพระสังฆราชเจ้า ที่เคยจำพรรษา ณ วัดบวรนิเวศวิหาร ๓ พระองค์ ได้แก่ สมเด็จพระสังฆราชเจ้า กรมพระยาปวรเรศวิริยาลงกรณ์ สมเด็จพระสังฆราชเจ้า กรมพระยาวชิรญาณวโรรส และสมเด็จพระสังฆราชเจ้า กรมหลวงวชิรญาณวงศ์
ผนังภายในทั้งหมดตกแต่งด้วยภาพจิตรกรรมฝาผนังที่ไม่เหมือนกับที่ไหน เพราะ ขรัวอินโข่ง จิตรกรผู้วาด ใช้หลักการแบบตะวันตก ผลักระยะ แสงเงาสมจริงมาใช้ บุคลลในภาพก็แต่งกายอย่างชาวตะวันตก ไม่ได้เป็น ภาพแบน อย่างไทยประเพณี และที่สำคัญ เนื้อหาที่วาดเป็นภาพ ปริศนาธรรม สรรเสริญคุณพระรัตนตรัยผ่านการเปรียบเทียบสิ่งต่างๆ อาทิเช่น แพทย์ ไม้หอม ดวงอาทิตย์ ดอกบัว ฯลฯ ที่สร้างประโยชน์แก่สรรพสัตว์ ไม่ได้เล่าแบบตรงๆ เป็นเรื่องราวเหมือนงานศิลปะในอดีต ถือว่าเป็นหลักฐานประวัติศาสตร์จิตรกรรมไทยยุคใหม่เลยทีเดียว