La sacrestia della cattedrale è situata presso il transetto sinistro. Si compone di tre ambienti principali.
Il primo è costituito da un'alta stanza sulla cui volta compare lo stemma del vescovo Pedro Gormaz (in carica dal 1498 al 1515). Il dipinto è tagliato dalla parete che separa la stanza dalla scalinata che collega agli ambienti successivi. In questo spazio sono conservati due crocifissi lignei a dimensione reale e alcune tele, tra cui quella raffigurante San Sebastiano proveniente dall'oratorio a lui dedicato, situato nella chiesa di Sant'Agostino e due, poste lungo la scala, raffiguranti la beata Lucia da Narni. La seconda stanza è caratterizzata dalla presenza, sulle pareti, di alcune lapidi commemorative, tele e affreschi. In particolare si evidenzia la formella in bronzo utilizzata come matrice per la raffigurazione a stampa raffigurante San Cassio, realizzata alla fine del Seicento. Sono qui conservate delle teche reliquiarie, tra cui quella con i resti di San Valerio Lila martire della Mauritania, che furono riesumati dalle Catacombe di Pretestato (sulla via Appia) e portati a Narni in occasione del giubileo del 1775 per interessamento del vescovo Ottavio Avi. La lapide della sua tomba (da alcuni considerata un falso) è situata nella cripta, dove tali reliquie furono poste affinchè fossero venerate insieme a quelle di San Giovenale, anch'egli di origine nordafricana.
Segue l'ultima stanza, la più grande e la più importante, caratterizzata da una volta a padiglione con un'affresco al centro della specchiatura e da imponenti armadi in legno intagliato (seconda metà del XVIII sec.) lungo le due pareti laterali, che si trasformano in un altare sulla parete che fronteggia l'ingresso. Sopra l'altare è posizionata una tela raffigurante San Giovenale aggredito dai fedeli di Bacco, realizzato da Francesco Vanni negli anni a cavallo tra XVI e XVII secolo. Gli armadi conservano numerosi esempi di vesti liturgiche (pianete, dalmatiche, stole, piviali...), alcune databili al XVII e XVIII secolo e alcuni candelabri d'altare utilizzati durante le celebrazioni. Sopra l'ingresso è invece conservata l'immagine dell'Immacolata Concezione, conosciuta anche come Madonna della Luna (restaurata nel 2016).
Tra i beni più importanti della cattedrale figurano anche il busto reliquiario di San Giovenale, realizzato nel 1703 per ringraziare il santo della protezione assicurata durante il devastante terremoto avvenuto in quello stesso anno; l'Encolpio, ossia la croce pettorale reliquiaria, rinvenuta nella tomba di San Giovenale nel 1642 e contenente alcune reliquie, databile al XI secolo in lamina d'argento con decorazioni a sbalzo; il pastorale del XIX secolo che reca le statuette di San Giovenale, San Cassio, la Beata Lucia e la Madonna del Ponte alla base del ricciolo; sei candelieri in bronzo con relativa croce d'altare realizzati nel XVI secolo su commissione di uno dei tre vescovi Cesi per il monastero di Santa Croce, presso il quale si trovava la parente Fermina Cesi; un ostensorio monumentale gemmato del XVIII secolo e diverse suppellettili liturgiche che vanno dal XVII al XX secolo.
