Si accede dalla cripta sotterranea realizzata nel 1608 con la supervisione di Matteo Nigetti,che rimarrà addetto alla 'fabbrica' fino al 1650.
Questa è costituita da un ottagono coperto da robuste volte a crociera poggianti su tozzi e forti pilastroni in pietra forte, nel quale sono alternativamente inserite esedre semipoligonali e cappelle rettangolari, sottolineate da profilature sempre in pietra forte.
Qui nel 1791 Ferdinando III di Lorena realizza il sepolcreto, trasportandovi le salme dei Medici, prima ubicate sia nella Sagrestia Vecchia, sia in quella Nuova che nei sotterranei della chiesa.
Nel 1837 Pasquale Poccianti ne progettò uno nuovo destinato alla dinastia dei Lorena e riprese l'ipotesi di realizzare quello mediceo nella cripta, proposta ancora viva negli anni Quaranta.
Nel 1855, in occasione della sistemazione di piazza Madonna degli Aldobrandini, fu realizzato l'accesso alla cripta dalla piazza medesima, già previsto nel progetto del Ruggeri, ma eseguito da Domenico Giraldi (fine sec. XVIII-post 1855).
Solo fra il 1857 ed il 1858 Leopoldo II Lorena farà esumare le spoglie dei Medici per interrarle definitivamente nella cripta, utilizzando per questo alcuni ambienti sotterranei allora esistenti.
L'opera di ristrutturazione del sepolcreto venne seguita da Gaetano Baccani, cui dobbiamo pure una prima idea di creare quello lorenese nella contigua cappella del SS. Sacramento (sotto il capocroce brunelleschiano della chiesa e, fra non molto, itinerario del percorso espositivo).
Negli anni seguenti il granduca dette incarico di disegnare i semplici sepolcri a Gaspero Maria Paoletti (1727-1813) e a Giuseppe Del Rosso (1760-1831), autore anche del progetto per un nuovo campanile della chiesa (1805).
Conserva pertanto le spoglie mortali della famiglia oltre al modello della cupola del Mausoleo e la grande scultura raffigurante l'Elettrice Palatina opera di Alfonso Boninsegni (1910- 2003) donata dagli eredi e collocata nel 2004.

Nelle quattro cappelle laterali, in una cripta sotterranea di fronte all'attuale entrata e accanto ai grandi pilastri dell'ottagono sono collocati i depositi dei membri della famiglia Medici, generalmente riuniti per nuclei familiari.
Procedendo da destra: Prima cappella Cosimo I, Eleonora di Toledo, Don Garçia, Don Giovanni cardinale; Seconda cappella Francesco I, Giovanna d'Austria, Principe Filippo, Principessa Anna; Dietro l'altare nella cripta sotterranea furono deposti i resti di Gian Gastone e di sette bambini della Casa Medici; A sinistra si prosegue con la cappella che reca le spoglie del Granduca Cosimo II, della moglie Maria Maddalena d'Austria, del principe cardinale Giovan Carlo e del Principe Mattias; nella successiva le tombe del Granduca Ferdinando I della moglie Cristina di Lorena, del principe Francesco e del principe cardinale Carlo.
Al centro Giovanni delle Bande Nere e la moglie Maria Salviati; accanto al primo pilastro destro Principessa Eleonora, Caterina, Principessa Maria Maddalena; secondo a destra Cosimo, Anna Maria Luisa, Principe Ferdinando Maria; vicino alla scala Cosimo III; dalla parte opposta Granduca Ferdinando II, Vittoria della Rovere; accanto al pilastro Principe Francesco Maria, e due figli di Ferdinando II vissuti pochi mesi; all'altro pilastro il Principe Lorenzo, Maria Cristina, il Cardinal Leopoldo.