Ταυτόχρονα σχεδόν με την προσθήκη του νάρθηκα και του κωδωνοστασίου στο Καθολικό, οι ιθύνοντες της Μονής φρόντισαν για την τοιχογράφηση του εσωτερικού του. Ο εντοίχιος διάκοσμος εκτελέστηκε διαδοχικά από διαφορετικά καλλιτεχνικά συνεργεία σε τρείς φάσεις πού αντιστοιχούν στην τριμερή διάρθρωση του συγκροτήματος.
Αρχικά διακοσμήθηκε ο ναός από το καλλιτεχνικό συνεργείο του μοναχού-ζωγράφου Δαμασκηνού του εξ Ιωαννίνων το 1716. Δεν είναι γνωστό αν είχε προηγηθεί κάποια άλλη φάση διακόσμησης στα 150 χρόνια που είχαν μεσολαβήσει από την ανέγερση του ναού. Ο μοναχός Δαμασκηνός υπήρξε ο παραγωγικότερος ζωγράφος του Αγίου Όρους στις αρχές του 18ου αιώνα στη μνημειακή ζωγραφική, χωρίς να υστερεί και στην παραγωγή φορητών εικόνων. Αρχικά, εργάστηκε ως μέλος ενός συνεργείου που κλήθηκε να τοιχογραφήσει μικρούς ναούς και παρεκκλήσια στην Ιερά Μονή Χιλανδαρίου και Βατοπαιδίου. Αργότερα αυτονομήθηκε και ως ηγέτης πλέον καλλιτεχνικού συνεργείου, μετά από μία δραστηριότητα σε μικρά παρεκκλήσια, κέρδισε την αποδοχή των αγιορειτών που του εμπιστεύθηκαν έργα μεγάλης κλίμακας (τράπεζα Ιεράς Μονής Δοχειαρίου, εξωνάρθηκας καθολικού Ιεράς Μονής Βατοπαιδίου, ναός Κουκουζέλισσας στην ΙΕρά Μονή Μεγίστης Λαύρας). Η τοιχογράφηση του Καθολικού της Ιεράς Μονής Καρακάλλου είναι έργο της ωριμότητάς του. Τέσσερα χρόνια αργότερα θα πραγματοποιήσει το τελευταίο εντοίχιο έργο του, τον ναό της Παναγίας Κουκουζέλισσας στην Ιερά Μονή Μεγίστης Λαύρας.
Όπως σε όλα τα έργα του, ο Δαμασκηνός, έχοντας μία εμπειροτεχνική σχέση με την ζωγραφική, βασίζεται στα εικαστικά πρότυπα που διαμόρφωσαν οι μεγάλοι Κρητικοί ζωγράφοι τόσο στην τεχνοτροπία, όσο και στην θεματική διάρθρωση του διακόσμου. Το εικονογραφικό πρόγραμμα του ναού βασίζεται στις γενικές αρχές που διαμορφώθηκαν στις τοιχογραφήσεις των αγιορειτικών καθολικών τον 16ο αιώνα. Ο πυρήνας του προγράμματος είναι ένας ιδιαίτερα εκτεταμένος χριστολογικός κύκλος με περισσότερες από 50 παραστάσεις, από τον Ευαγγελισμό μέχρι την Ανάληψη, που κυριαρχεί σε όλες τις επιφάνειες της θολοδομίας. Όλες οι υπόλοιπες παραστάσεις επιλέγονται με σκοπό να υπομνηματίσουν τον κύριο χριστολογικό κύκλο ως δογματικά και λειτουργικά σχόλια στην θεία Ενσάρκωση. Ο κύκλος της Θεοτόκου διατηρεί μία αυτονομία στον δυτικό τοίχο όπου, με άξονα την κεντρική παράσταση της Κοίμησης, διατάσσονται ακόμη τέσσερις παραστάσεις που συγκλίνουν στις άλλες δύο κύριες Θεομητορικές εορτές (Γενέσιο και Εισόδια). Το πρόγραμμα ολοκληρώνεται με τις ζώνες των μεμονωμένων μορφών, στις οποίες περιλαμβάνονται επιλεκτικά, εκτός από τα σημαντικότερα πρόσωπα της Παλαιάς και Καινής Διαθήκης, εκπρόσωποι από το αγιολόγιο της Εκκλησίας. Λόγω της αφιέρωσης του ναού στους δώδεκα Αποστόλους, ολόσωμοι Απόστολοι εντάσσονται στον τρούλο, σε δεύτερη ζώνη κάτω από τους Προφήτες. Επιπλέον, στα μέτωπα των καμαρών προβάλλεται μέσα σε μετάλλια ένας σημαντικός αριθμός από τον κύκλο των Εβδομήκοντα Αποστόλων.
Η τεχνοτροπία του Δαμασκηνού εκπροσωπεί τις αισθητικές προτιμήσεις των αγιορειτών της εποχής αυτής. Παρά το γεγονός ότι είναι σαφώς υποδεέστερη των προτύπων του, η ζωγραφική αυτή δείχνει την καταλυτική επίδραση των μεγάλων Κρητικών ζωγράφων, η αίγλη των οποίων συνέχιζε να επισκιάζει τα παλαιότερα έργα της βυζαντινής περιόδου.
