Si tratta di un’opera di notevole impegno, realizzata a più riprese dal pittore senese Arturo Viligiardi (1869-1936) tra il 1891 e il 1893. La tecnica prescelta, quella dell’affresco a finto mosaico, doveva conferire al sacro tempio l’aspetto di una chiesa paleocristiana, attingendo a modelli ravennati e romani, in un serrato dialogo con quanto attuato nel restyling architettonico condotto da Giuseppe Partini. In particolare, nella decorazione della fronte absidale, con il Tetramorfo che sovrasta le immagini dei profeti Isaia e Geremia, emerge chiara l’ispirazione dal modello offerto dalla basilica romana di San Clemente, mentre la scena mariana sulla calotta (Dormitio Virginis) e i riquadri al di sotto di questa (Natività della Vergine, Annunciazione, Natività e Adorazione dei Magi), sembrano attingere direttamente a quanto realizzato dal Cavallini in Santa Maria in Trastevere o alle mirabili opere musive presenti nel Mausoleo di Galla Placidia a Ravenna.
Più strettamente legata, dal punto di vista iconografico, alla storia di Chiusi e della sua cattedrale è, invece, la decorazione della navata centrale, con una duplice teoria di santi martiri sepolti nelle locali catacombe o connessi con la vicenda di Mustiola (qui sintetizzata in alcuni riquadri), che di nuovo rimandano, sul piano stilistico, a memorie romane e, soprattutto, ravennati, tratte da Sant’Apollinare Nuovo e da San Vitale. Nelle fasce sovrastanti le arcate sono visibili, all’interno di un ricco parato decorativo, figure attinte al repertorio iconografico paleocristiano: animali che si dissetano o pascolano, colombe, il pellicano, ma anche la croce, l’altare, la navicella, l’Agnello, Gerusalemme, Betlemme. Sui pennacchi tra le arcate del finto matroneo è visibile una serie di immagini di personaggi biblici, di dimensioni più contenute. Le absidi laterali, infine, sono impreziosite con le immagini di Santa Caterina di Alessandria (a sinistra) e di Sant’Orsola (a destra).