Η πρώτη αγιογράφηση του Καθολικού της Μονής χρονολογείται στο δεύτερο ήμισυ του 14ου αιώνος, και ειδικότερα στη δεκαετία 1360-1370, στην περίοδο δηλαδή ιδρύσεως της Μονής. Οι σωζόμενες δε από αυτήν την περίοδο τοιχογραφίες διακρίνονται, σύμφωνα με τον καθηγητή Ευθύμιο Τσιγαρίδα, ο οποίος τις μελέτησε διεξοδικά, «για την υψηλή τους καλλιτεχνική ποιότητα» και δικαίως θεωρούνται έργα που ανήκουν στη Σχολή του Πανσέληνου.
Σήμερα, μετά τις έρευνες και τον μερικό καθαρισμό τους διαπιστώνεται ότι οι τοιχογραφίες του Καθολικού ανήκουν σε διάφορες φάσεις. Οι παλαιότερες τοιχογραφίες εντοπίζονται στους κάθετους τοίχους του Κυρίως Ναού και των τόξων που στηρίζουν την οροφή, και ειδικότερα· α) στον ανατολικό τοίχο της Λιτής, όπου κυριαρχεί η εντυπωσιακή Δέηση, με δεσπόζουσα την επιβλητική μορφή του ένθρονου Χριστού, που περιστοιχίζεται από τις δεόμενες μορφές της Θεοτόκου και του Προδρόμου, β) στον δυτικό τοίχο του Κυρίως Ναού, όπου απεικονίζονται η Κοίμηση της Θεοτόκου και μεγάλες οσιακές μορφές του Μοναχισμού (Μέγας Αντώνιος, οσ. Ευθύμιος ο Μέγας, οσ. Θεοδόσιος ο Κοινοβιάρχης, Μέγας Παχώμιος, οσ. Αθανάσιος ο Αθωνίτης κ.ά.) και γ) στους χορούς, όπου πρόσφατος καθαρισμός απεκάλυψε στη δεύτερη ζώνη του αριστερού χορού ωραιότατες απεικονίσεις των προπατόρων και του Ιωσήφ του μνήστορος, εικονογραφικό πρόγραμμα που, κατά τον καθηγητή Τσιγαρίδα, παραπέμπει στο αντίστοιχο του ναού του Πρωτάτου.
Οι παλαιολόγειες αυτές τοιχογραφίες έχουν στο σύνολό τους σχεδόν επιζωγραφηθεί κατά τη νεότερη αγιογράφηση του Καθολικού, που πραγματοποιήθηκε το 1854 από τον γνωστό Ναουσαίο αγιογράφο Ματθαίο Ιωάννου, όπως μαρτυρείται σε σχετική επιγραφή πάνω από το υπέρθυρο της κεντρικής πύλης που οδηγεί από τον Κυρίως Ναό στην Λιτή.
Στη νεότερη φάση αγιογράφησεως του Καθολικού από τον Ματθαίο Ιωάννου ανήκουν, εκτός των επιζωγραφήσεων, και οι παραστάσεις των οικουμενικών συνόδων, των λόγων του Χριστού (Ματθ. 25, 35-36· 42-43) και της παραβολής των δέκα Παρθένων στο νάρθηκα, καθώς και οι τοιχογραφίες του τρούλλου, των καμαρών και των μικρών θόλων.
Πρόσφατα, επίσης, έχει αποδοθεί στο χρωστήρα του Θεοφάνους του Κρητός και το σπάραγμα τοιχογραφίας με τον προφήτη Ιεζεκιήλ (σώζεται σήμερα στο Σκευοφυλάκιο), που προέρχεται πιθανότατα από τον τρούλλο του παρεκκλησίου των Τριών Ιεραρχών, το οποίο βρισκόταν στο νότιο τμήμα της Λιτής και κατεδαφίστηκε το 1847. Κατά συνέπεια θεωρείται ότι το σύνολο του κατεδαφισθέντος παρεκκλησίου είχε αγιογραφηθεί από το Θεοφάνη.
