La pianta interna della chiesa è di forma ellittica (fig. 7). L'ingresso e l'altare maggiore si trovano alle due estremità dell'asse maggiore, ma al di fuori del perimetro ellittico, così come le due cappelle laterali alle estremità dell'asse minore. Con questo accorgimento la forma ellittica, non essendo interrotta, viene fortemente evidenziata nella purezza della linea, ma, al contempo, le rientranze in cui si articolano le cappelle ed il presbiterio conferiscono varietà di linee e creano superfici mosse da oggetti e rientranze, da zone in piena luce e zone in ombra, non solo nella pianta ma anche nell' alzato (fig. 8).
S. Anna dei Palafrenieri è il primo esempio in Roma di chiesa a pianta ellittica. La nuova forma ottenne tale successo che venne ripresa in molti altri edifici di culto della fine del Rinascimento e nel periodo barocco, quali le cappelle di S. Giovanni dei Fiorentini a Via Giulia, le absidi laterali della Cappella Sforza, S. Andrea al Quirinale, S. Carlo alle Quattro Fontane. Lo stesso Barozzi aveva già affrontato nel 1550 la forma ovale nella chiesa di S. Andrea a via Flaminia, dove appose alla pianta rettangolare dell'edificio una volta ellittica. Poi, nel 1559, per la cappella realizzata nel Cortile del Belvedere, l'ellisse fu da questi applicata con decisione alla pianta, inserendola in un muro perimetrale rettangolare.
Come si può, quindi, vedere, S. Anna dei Palafrenieri costituisce il punto di arrivo in un percorso evolutivo del gusto e della concezione dello spazio, che, attraverso fasi intermedie di ricerca nelle relazioni tra forma ed effetti di luce, giunge alla riscoperta di una forma architettonica ampiamente adottata nella Roma imperiale: la sfera o l'ellisse inserite in un rettangolo. Valga per tutti l'esempio del Pantheon. E lo stesso è l'effetto spaziale riproposto in questi edifici del Vignola e dei suoi seguaci: al di fuori la pianta perimetrale si attiene strettamente ai canoni strutturali di un edificio a pianta rettangolare e nulla fa presagire che l'interno possa riservare sorprese. Ma quando il visitatore entra si trova in uno spazio totalmente diverso, inaspettato, in cui le linee dritte scompaiono totalmente, sostituite dal trionfo della linea curva. Questa visione architettonica ispirata al mondo classico, comunque, non costituisce un fenomeno isolato nella cultura rinascimentale, ma, come è ben noto, fa parte di una generale riscoperta della classicità verificatasi in quei secoli.
