Architektura i wnętrze Kaplica ma formę kwadratu, nakrytego kopułą na bębnie, nawiązując w ten sposób do kaplicy Zygmuntowskiej na Wawelu, przez co Zygmunt III Waza chciał podkreślić swoje związki rodzinne z Jagiellonami. W górnej części kaplicy można dostrzec specjalną lożę dla króla, do której prowadził kryty ganek z Zamku Dolnego.
Srebrny ołtarz kaplicy został zrabowany przez wojska rosyjskie w 1655. W ołtarzu umieszczony jest obraz patrona kaplicy św. Kazimierza. Święty ma na tym obrazie 3 ręce. Według znanej legendy wyjaśniającej ten fakt, malarz próbował zmienić nieco kompozycję wizerunku, zamalowując jedną rękę i malując ją w innym miejscu, lecz zamalowywana kończyna wciąż pozostawała widocznaWilno. Przewodnik krajoznawczy Juljusza Kłosa Prof. Uniwersytetu St. Batorego. Wydanie trzecie poprawione, Wydawnictwo Wileńskiego Oddziału Polskiego Towarzystwa Turystyczno-Krajoznawczego, Wilno 1937, ss. 125–126. Całość kaplicy zdobią freski Michelangela Palloniego. Jej wystrój dopełniają srebrzone figury Władysława Jagiełły, Kazimierza Jagiellończyka, Jana Olbrachta, Aleksandra Jagiellończyka, Zygmunta I Starego, Zygmunta II Augusta i św.