Von der reichen künstlerischen Ausstattung der Kirche haben nur einige Stücke die Zerstörungen des 2. Weltkrieges überstanden.

Erinnerung an die vorreformatorische Zeit ist die heute im Chorraum angebrachte Grabplatte von Johann von Rintelen, Rektor an St. Petri von ca. 1357 bis 1376. Die aus Schiefer gefertigte und mit einer Messingplatte versehene Grabplatte stellt von Rintelen als Priester mit Kelch dar.

Johann von Rintelen stand als Rektor in der mittelalterlichen Hierarchie der Geistlichen an St. Petri an oberster Stelle. Der Rektor oder Pfarrherr der Petrikirche wurde im Mittelalter vom Kollegiatstift St. Cyriakus, das das Patronat über die Kirche innehatte, eingesetzt. Wie allen Rektoren der Stadtkirchen oblag von Rintelen vor allem die Aufsicht über Leben und Lehre der ihm untergeordneten Geistlichen.

Seine eigentlichen Pflichten übertrug er einem sog. „Heuer-Pfaffen“, der ihnen dafür eine Pension aus den Einnahmen der Kirche zahlen musste. Der Rest der Einnahmen und besonders die täglichen Einnahmen aus dem Opferstock und von den Altären dienten seinem eignen Unterhalt. Der wiederum reichte sogar zur Anstellung eines Predikanten aus, der für den „Heuer-Pfaffen“ das Predigen übernahm, die Sakramente austeilte und die Messen feierte.

Das Messingtaufbecken in Kelchform ist im Jahr 1530, also unmittelbar nach Einführung der Reformation in der Stadt Braunschweig, in der Stadt gegossen worden. Bei dem ca. 100 cm hohen Taufbecken handelt es sich um eine sog. Fünte, wobei Fünte das norddeutsche Wort für Taufbecken ist (abgeleitet von lat. fons, fontis = Quelle). Die Datierung findet sich an der Fußzange in erhabener gotischer Minuskel.

Die Beckenwandung weist Relieffiguren des Gekreuzigten, einer Madonna im Strahlenkranz und zweier Apostel auf. Sie stehen Werken des Meisters der Altarfiguren von St. Katharinen in Braunschweig nahe, sind aber auch vergleichbar mit einer Darstellung des sog. Hildesheimer Benedictusmeisters.

Auffällig ist, dass für den Guss der Relieffiguren wohl noch vorreformatorische Model verwendet wurden. Der zweifach verwendete Apostel hat mit seinem üppigen Bart- und Haarwuchs große Ähnlichkeit mit der Gestaltung der Altarfiguren in der Stiftskirche zu Enger bei Herford, die der Hildesheimer Meister Heinrich Stavoer d.J. geschaffen hat.

Die Fünte ruhte ursprünglich auf drei kauernden Löwen, die aber nach den Zerstörungen des 2. Weltkrieges nicht mehr aufgefunden werden konnten.

Im 17. Jahrhundert ermöglichten reiche Gönner der Petrikirche die Beschaffung von neuem und reichem Inventar. Einer der wichtigsten Stifter der Kirche war der Ratsherr und Kämmerer Heinrich Hartwieg. Er finanzierte u.a. im Jahr 1624 den Bau einer Emporenbrüstung, die aber verschollen ist.

Im Jahr 1625 stiftete Heinrich Hartwieg der Kirche eine Kanzel, deren Reliefs und Trägerfigur vom Braunschweiger Bildhauer Jürgen Röttger stammen.

Die Kanzel wurde im 19. Jahrhundert im Rahmen der neugotischen Renovierung der Kirche durch Max Osterloh leider beseitigt. Allerdings befindet sich die lebensgroß geschnitzte Figur des Apostels Petrus, die der Kanzel einst als Trägerfigur diente, noch heute in der Kirche.

Heinrich Hartwieg starb im Jahr 1626 und wurde in St. Petri bestattet; sein Grabdenkmal ist heute an der Wand des linken Seitenschiffes angebracht.

Neben Heinrich Hartwieg gehörte auch die Familie von Zacharias Drösemann zu den Stiftern der Petrikirche.

Mette Drösemann, die Witwe von Zacharias Drösemann, schenkte der Kirche im Jahr 1649 einen frühbarocken, von Hermann Scheller im sog. Ohrmuschelstil gefertigten Hochaltar. Er ist der einzige noch erhaltene Hochaltar aus dieser zeit in der Stadt Braunschweig.

Der Hochaltar wurde im Chorraum vor der Apsis aufgestellt und blieb bis zu seiner Auslagerung während des 2. Weltkrieges in Benutzung. Seine Rückwand bildeten drei Gemälde mit den Themen Kreuzigung, Grablegung und Auferstehung. Geschnitzte Figuren der vier Evangelisten und der sieben Tugenden gehören ebenfalls zum Bildprogramm des Altars.

Nach dem Krieg galt der Altar lange Zeit als verschollen oder gar zerstört, da sich nur wenige Teile wieder auffinden ließen. In den 1980er Jahren aber konnte er fast vollständig wieder zusammengetragen und restauriert werden. Inzwischen kann man ihn wieder in der Petrikirche im rechten Seitenschiff besichtigen - zwei seiner Gemälde (Grablegung und Auferstehung) aber sind bis heute verschwunden.

Der 24flammige Leuchter, der mittlerweile im Mittelschiff der Kirche aufgehängt ist, hing früher im Altarraum. Er stammt aus dem 17. Jahrhundert und wurde im heutigen Belgien gefertigt.

In und um die Petrikirche sind zahlreiche Grabplatten von dem bis zum Jahr 1787 um die Kirche herum bestehenden Friedhof erhalten. In der Kirche befinden sich die Grabplatten des Johann Friedrich Vienna, gest. 1753 und seiner Frau Maria Dorothea, geb. Eberlah, gest. 1777, sowie der Grabstein des Bürgermeisters, Ratsherrn, Rechtsgelehrten und Richters L.H.L. Platen, gest. 1795.

Auch an den Außenwänden der Kirche sind zahlreiche Grabplatten erhalten. So z.B. die des im Jahr 1777 gestorbenen Anton Voges und seiner Frau Anna, geb. Meyers. Ihre Grabplatte ist beschriftet mit den Worten: „Ich habe einen guten Kampf gekämpfet. Ich habe den Lauff vollendet. Ich habe Glauben gehalten. Hinfort ist mir beygeleget die Krone der Gerechtigkeit.“

In der Kirche befindet sich ebenfalls das Epitaph des 1626 verstorbenen Stifters Heinrich Hartwieg, das wahrscheinlich von Hans Röttger gefertigt wurde.

Nach seiner Auslagerung während des Krieges und Restaurierung in den 1980er Jahren, bei der sich die Nachfahren aus der Familie von Heinrich Hartwieg besonders in finanzieller Hinsicht stark engagierten, wurde es im linken Seitenschiff der Kirche angebracht. Babette Hartwieg, eine Nachfahrin der Familie, führte die Restaurierung durch. Andere Nachfahren leben noch heute in Braunschweig, Wolfenbüttel, anderen Teilen Deutschlands und den USA.

Am hinteren linken Achteckpfeiler der Kirche befindet sich heute ein barockes Kruzifix, das um 1720 entstanden ist.

Der Corpus des Kruzifixes ist aus einem Stück geschnitzt. Am Fuße des Kreuzes, das als grünender Lebensbaum gestaltet ist, sind Totenkopf und Schlange erkennbar. Sie sollen den Sieg Christi über Tod und Sünde symbolisieren.

Die drei mittleren Chorfenster der Kirche stammen aus den 1950er Jahren und wurden entworfen und gefertigt vom Hamburger Glaskünstler Claus Wallner. Sie wurden bereits im Jahr 1954, fünf Jahre vor der Wiedereinweihung der Kirche, in die Apsis der Kirche eingebaut. Ihr Bildprogramm entnimmt seine Motive aus der Offenbarung des Johannes, dem letzten Buch der Bibel.

Viele der in der Offenbarung des Johannes benutzten Bilder entstammen der Vorstellungswelt der Antike und waren zu ihrer zeit bekannte Ausdrucksmittel zur Beschreibung der erwarteten, erhofften oder auch gefürchteten Endzeit.

Johannes kleidet diese Bilder in eine tröstliche Botschaft, die lautete:

„Gott lenkt den Gang der Ereignisse auf unserer Erde. Er allein, und kein weltlicher Herrscher, keine weltliche Macht, bestimmt über Zeit und Raum, Anfang und Ende. Gott wird sein recht zur Geltung bringen und durchsetzen. Garant dafür ist sein Sohn Jesus Christus, dessen Auferstehung und Hingabe für andere zeigen, wie unbegrenzt Gottes Macht ist.“ Diese Botschaft hat Claus Wallner mit den Chorfenstern der Petrikirche in eine leuchtende Bildersprache umgesetzt.

Die seitlichen Fenster im Altarraum, die vor allem Bilder aus dem Leben der Apostel Petrus und Paulus zeigen, kamen 1962 hinzu. Auch sie wurden von Claus Wallner geschaffen.

Altarkreuz, Kanzel und Lesepult ergänzten in den 1960er Jahren die Ausstattung der Kirche. Sie stammen von Fritz Fleer. Auf dem Lesepult ist der Fischzug des Petrus, an der Kanzel sind Szenen aus dem leben Jesu dargestellt.

Die Orgel wurde im Jahr 1961 von Orgelbaumeister Friedrich Weißenborn gebaut.