Une fois le projet de théâtre de l'architecte Simon Vallot approuvé par le conseil des Bâtiments civils, la Ville adopte le 22 mars 1822 le devis pour les machines et les décors de scène rédigé par Pierre-Luc-Charles Ciceri et Antoine-Marie Lèbe-Gigun, lesquels mettent en avant leurs réalisations du Havre et de Strasbourg. La construction avançant, la commission de la salle de spectacle constate dans son rapport du 1er septembre 1827 que ces décors sont réalisés à Paris, aux Menus Plaisirs, "par une faveur spéciale puisqu'il n'est permis d'y travailler que pour les théâtres royaux de la capitale" et avec cet avantage qu'ils y sont faits "debout et sans marcher sur la toile, tandis que lors qu'on les exécute ailleurs on est forcé de la travailler par terre ce qui affaiblit la toile et diminue toujours la fraîcheur de la peinture". Ils sont cependant insuffisants car le devis ne comprend pas "tout ce qui est actuellement indispensable pour que l'on puisse jouer toutes les pièces qui font cependant partie du répertoire habituel. Ainsi on ne trouve au devis ni sallon, ni décoration gothique, point de temple circulaire, point de décoration asiatique, point de camps ni de tentes, etc." La commission examine la question du mobilier et signale que le marché des tapisseries doit être refait, notamment l'article relatif "aux garnitures extérieures de deux loges d'avant scène en velours, velvantine rouge et agréemens dorés". Le rapporteur ajoute : "Nous pensons que dans les théâtres même royaux de la capitale une seule loge est décorée, celle du roy ; que par conséquent à Dijon ville où nous n'avons qu'extraordinairement le bonheur de posséder le roy, cette dépense devient absolument superflue". A cette date, la décoration des loges et du plafond n'est toujours pas adjugée et la commission (dont l'avis ne sera pas suivi sur ce point) propose qu'elle soit confiée à Ciceri et Gigun, qui ont un atelier à Dijon et travaillent alors aussi au théâtre de Besançon. Outre la création d'une loge centrale de 10 places pour l'état-major, elle propose également de laisser l'ameublement des salons des loges d'avant-scène à la charge des personnes qui les occuperont, et d'exhausser les accoudoirs des 1ères loges : "les galeries pouvant être occupées par des jeunes gens ou des militaires, leur conversation légère et quelquefois libre et peu décente exclurait nécessairement des loges les personnes honnêtes". Elle discute également le choix des sièges si bien que le marché prévu avec l'ébéniste parisien Jean-Jacques Werner doit être revu. Le mémoire que ce dernier présente le 7 novembre 1828 fait état de la livraison de fauteuils, chaises, banquettes, etc., mais aussi d'une table en frêne formant bureau, de six glaces, d'un grand lustre à 51 becs en cuivre et de trois à 48 bougies, etc. Le décor sculpté est confié le 14 octobre 1827 à Jean-Baptiste Plantar, sculpteur des Bâtiments du roi, qui réalisera aussi les bas-reliefs du balcon et du vestibule, ainsi que les ornements "en pierre tendre, bois, plâtre et carton pierre de l'intérieur de la salle et du foyer". La décoration de la salle et du foyer est attribuée le 20 mai 1828 aux frères Charles et Auguste Moench dits Munich.

Le mobilier comprend également les équipements techniques. Des travaux complémentaires sont réalisés en 1831 et 1832 pour installer deux calorifères système Desarnaud (traité du 18 octobre 1831 avec Edgard Louis Charles Mauprivez Fils, "Ingénieur caminologiste, propriétaire et successeur de la Manufacture royale brevetée de Désarnod, des foyers et calorifères en fer coulé [...]", établie cour et passage des Petites Ecuries à Paris) et, répondant dix ans après aux observations du conseil des Bâtiments civils, pour améliorer la sécurité en cas d'incendie. Pour ce faire, un puits est creusé et une pompe mise en place qui, "dans le même système qu'une pompe à incendie", peut être manœuvrée par 4 à 6 hommes et alimenter des réservoirs dans le comble (adjudication du 8 septembre 1832 au maçon Philippe Bourdeaux aîné associé avec le "ferblantier-lampiste" François Verreaux et le fondeur François Bernet). En 1839, un troisième calorifère est installé par François Méchu, chaudronnier mécanicien à Auxonne (les deux premiers, défectueux, seront remplacés en 1868 par André Chaffotte, fumiste rue Chabot-Charny à Dijon ; de nouveaux seront installés en 1906). La même année 1839, le gaz est adopté pour l'éclairage d'une partie du bâtiment, avec réalisation pour la salle d'un grand lustre (par la Manufacture d'Appareils pour l'Eclairage au Gaz de Lacarrière, 6 rue Neuve Saint-Laurent à Paris ?). Ce mode d'éclairage est étendu en 1848 aux lieux recevant du public, bureaux, corps de garde, et à la façade ; les quinquets à huile sont maintenus pour les lieux de service, coulisses, loges d'acteur, etc. La salle est rénovée en 1855 suivant les plans des architectes dijonnais Jean-Philippe Suisse et Jean Alphée Cyprien Scheffer. Rénovation lourde qui implique la réfection complète de l'ornementation : le décor doit être repris avec des ornements de cuivre étampé, "dont les modèles ont été faits pour les théâtres de Paris, de Rennes et du Havre", et d'autres en carton-pâte tandis que le plafond est repeint d'un motif en trompe-l'oeil par le peintre décorateur Charles Cambon, les architectes ayant décidé de le modifier en créant une coupole "mi-plate". Les peintures de la salle sont rafraîchies en septembre 1876 par Cyprien Jusseaume. L'éclairage électrique est installé en 1900. Les décors de scène devant être refaits et de nouveaux devant être fabriqués, le nom d'un certain nombre de peintres décorateurs est connu : outre Ciceri et Gigun, les frères Moench et Cambon, on trouve en 1822 Tindels, "peintre au théâtre de Cellestins à Liyon" ; en 1826 Bolard, chargé du décor du théâtre de Lyon et employé au Menus Plaisirs du roi ; en 1908 Moisson ; en 1910 Ch. Brigodiot, 7 rue Michelet à Dijon; en 1913 Philippe Communaudat, place Rameau à Dijon (pour le rideau de fer) ; en 1916 Eugène Gérin, 8 rue Garancière à Paris ; en 1936 A. Ziliani, 5 et 7 rue d'Auxonne à Dijon ; en 1937 J. Burgunder successeur d'Emile Mignard, Anciens Ateliers de Décoration Chambouleron et Mainard fondés en 1900, 28 rue Vic d’Azir à Paris, et Henri Cillard, 7 place du Combat à Paris ; en 1944 Jean Roger et Durand, 53 bis rue de l'Ermitage à Paris (qui précisent bien : "Nous sommes des artistes et non des industriels") ; en 1948, Millière et Pihier, 39 rue de la Grange-aux-Belles à Paris, Robert Rutz, 67 rue de la Commanderie à Nancy, J.-L. Audiffret et R. André, 1 passage Bélugou à Montpellier, etc. Aucun des décors qu'ils ont réalisés ne semble avoir subsisté.

La rénovation du théâtre en 1970, sous la direction des architectes communaux Jean-François Devalière et Michel Grangy, s'accompagne du renouvellement de la décoration de la salle, du foyer et du bar du 3e balcon. Le peintre décorateur retenu est le Monégasque Jean Albert Bourgoin, restaurateur de fresques et tableaux, qui restaure le plafond de la salle et du devant de scène ainsi que la frise du foyer. Il reconstitue à l'identique les ornements du cadre de scène, les façades des loges d'avant-scène, du balcon des loges du 1er étage et du dessus des loges du 2e étage ; il refait la face extérieure des balcons en s'inspirant des anciens décors, ajoute une rangée d'oves ou de perles au plafond du 3e balcon (où il peint les piliers en faux marbre). Outre les rideaux (de scène et des loges), les Ets Gaston Quinette et Cie (15-17 rue de la Nouvelle France, à Montreuil) fournissent 736 fauteuils, 119 strapontins, 70 banquettes et 78 chaises Napoléon III. La lustrerie est confiée à la société parisienne Veronese (Sarl M. Barbier et Cie, gérée par Marcel Barbier). Les travaux de sonorisation (matériel Safidel, Villeneuve-sur-Yonne) et de télévision (Compagnie des Compteurs) sont attribués à la Société pour l'Application de l'Automatisme et des Télécommunications (53 rue Devosge, à Dijon), la télévision en circuit fermé devant permettre aux choeurs en coulisse et à l'organiste au 3e étage de suivre sur écran le chef d'orchestre. Une remise en état a lieu en 2005, avec remplacement des fauteuils et suppression des places borgnes et des loges du 1er balcon. Faisant suite à une inscription de l'édifice sur l'inventaire supplémentaire des monuments historiques en 1975, une deuxième protection intervient en 2013 au titre des objets, qui concerne un ensemble de sièges du 19e siècle, notamment ceux fournis par Werner. La Ville débute à partir de 2021 une nouvelle rénovation sur plusieurs années : aménagement de la partie arrière (loges, équipements techniques et extension supérieure) puis du corps antérieur et finalement de l'espace scénique. En 2022, les équipements techniques d'origine ont disparu, bien que les dessous aient été conservés ; le décor de la salle est le fruit des interventions de Plantar, Cambon et Bourgoin, celui du foyer des frères Moench et du même Plantar.