Les décors intérieurs sont réalisés par François Verdier et Alexandre Dreux, de la confrérie Saint-Grégoire de Tours, fondée par Louis de Galembert.
Ces peintures murales sont le reflet de la pensée viollet-le-ducienne sur la fonction des décors dans les églises.
Toutes les parois intérieures sont décorées au pochoir, des plinthes aux voûtes, d’un répertoire ornemental typique du XIXe siècle. Les voûtes représentent des ciels étoilés séparés des décors muraux par des frises de motifs géométriques, de grecques, de feuilles ou rinceaux stylisés.
Les murs nord et sud du chœur accueillent le uniques peintures figuratives de l’église sur le thème de l’Eucharistie : l’offrande de Melchisédech au sud et les pèlerins d’Emmaüs au nord. Le pèlerin situé à gauche du Christ, joignant les mains, serait inspiré de la figure du Titien, peint entre 1520 et 1540 pour la famille Maffei de Vérone.

Le départ des voûtes accueille des animaux fantastiques, dragons ou serpents ailés. Les murs d’entrée et des collatéraux sont recouverts d’un décor de faux joints, agrémenté de feuilles et fleurs, et de médaillons portant des armoiries papales et épiscopales (celles de Pie IX, pape sous lequel a été consacré l’édifice, et de Mgr Forcade, évêque de Nevers). Des clefs rappellent le patronage de l’église dédiée à Saint Pierre. Le décor des chapelles est plus riche et complexe, certaines parties sont dorées. Les plafonds sont étoilés, les murs ornés de croix et fleurs ouvragées et de petits serpents s’enroulant autour de croix, un motif que l’on retrouve sur les murs du chœur. La chapelle nord est la chapelle funéraire de la famille de la Ferté Meun, une plaque funéraire rappelle cette vocation.

Louis de Galembert fonde en 1864 la Société de Saint-Grégoire de Tours pour la décoration des églises de campagne, qui est à l’origine du décor de l’église Saint-Pierre.

Ce peintre expose au salon de 1841 et conforte sa vocation par un voyage en Italie et en Orient. Il en rapporte de nombreux croquis et dessins et la conviction profonde que les édifices sont destinés à être peints. Profond partisan de la polychromie alors que ce débat enflamme le milieu de l’architecture, il déplore «les édifices de [son] pays, tant civils que religieux, nus et délabrés à l’intérieur, véritables écorchés dépouillés de leur peau.»

Il quitte Paris pour s’établir à Tours en 1833 où il se réjouit de trouver, au sein de la société archéologique locale, un contexte favorable à une «esthétique nouvelle, ou plutôt renouvelée» par l’étude du passé. Il réunit une grande documentation sur les peintures murales de Touraine. Considérant que «la peinture est le complément nécessaire de l’architecture et de la sculpture» et qu’une décoration peinte constitue une «première nécessité» dans un lieu de culte. Louis de Galembert s’intéresse aux églises de campagne comme vecteur privilégié de cette esthétique renouvelée.

Les moyens mis en œuvre doivent toutefois s’adapter aux ressources souvent faibles des communautés concernées. Il prône le travail collectif et la non-division du travail entre peintres et ornemanistes. Pour s’adapter aux capacités financières, l’ornementation est réalisée en premier, laissant des espaces vides pour les scènes figurées, à réaliser au fur et à mesure selon les ressources disponibles. La Société Saint-Grégoire est fondée avec le concours du peintre Dubois, habitué des décors d’églises. La société s’occupe de nombreux décors, à Evron, Montmorillon, ou encore Auneau.

Suite au départ de Dubois en Algérie, Louis de Galembert s’associe à François Verdier et Alexandre Dreux en 1867, puis ces derniers reprennent la société en 1872. La société s’installe pendant trois ans dans le Morvan par le biais d’un frère de Louis de Galembert, au château d’Ettevaux. Ils décorent également le chœur de l’église de Poil. Le décor de Larochemillay a vraisemblablement été réalisé d’un seul tenant grâce aux financements du marquis de la Ferté Meun.

Le mobilier et la statuaire sont contemporains de la construction de l’église et s’harmonisent avec son décor.

L’homogénéité et la cohérence de ces décors peints, adaptés à l’architecture conçue par Baudot, sont soulignées par la présence d’un mobilier d’époque remarquable, le tout formant un ensemble encore en place d’une très belle unité.

L’autel du chœur figure le Christ et les évangélistes dans un décor d’arcades dorées et peintes. Il est orné d’un tabernacle ouvragé et de sa garniture d’origine et surmonté d’une statue de saint Pierre. De part et d’autre se trouvent deux anges adorateurs polychromes. Le chœur est fermé par une balustrade en bois à décor de voûtes d’ogive, de trèfles à quatre feuilles et de colonnes.