Ένα είδος αγιογραφίας είναι οι τοιχογραφίες. Στη λιγότερο πολυτελή αυτή τεχνική, οι τεχνοτροπικές τάσεις είναι ανάλογες με των ψηφιδωτών, αλλά παρουσιάζουν περισσότερες ποικιλίες και διαβαθμίσεις. Κατά τον 20ο και 11ο αιώνα κυριαρχεί η τάση προς τις μεγάλες μνημειακές συνθέσεις, με έντονα περιγράμματα και εκφραστικά χαρακτηριστικά. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν οι τοιχογραφίες της Αγίας Σοφίας Η επίσημη αυτή καλλιτεχνική ροπή δεν είναι και η μοναδική. Κατά την εποχή των Παλαιολόγων (1204- 1453) η τέχνη της τοιχογραφίας γνωρίζει σημαντική ανάπτυξη. Μεγαλύτερες συνθέσεις, πολυάνθρωπες, αποκτούν επικό μεγαλείο υψηλής πνοής, με την ήρεμη, αλλά ρυθμική κίνηση των ομάδων, με το γαλήνιο, αλλά ηρωικό, ήθος των προσώπων, με το σοφό και ισόρροπο φωτεινό χρωματισμό.
Ο χρυσός αιώνας των ψηφιδωτών τοποθετείται μεταξύ του 10ου και 12ου αιώνα. Η τεχνική γίνεται λεπτότερη, οι χρωματισμοί αρμονικότεροι, η τεχνοτροπία πιο σταθερή. ΣτηνΑγία Σοφία, στην επιφάνεια του τρούλου, εικονίζεται ο Χριστός Παντοκράτορας και περιβάλλεται από τους Προφήτες και τους Αποστόλους. Πάνω σ' έναν ομοιόμορφο "κάμπο" - φόντο - προβάλλονται οι φιλοτεχνημένες με εκτυφλωτικά χρώματα μορφές και σκηνές και δίνουν την εντύπωση ανάγλυφου .Τα πιο συμαντικά από αυτά είναι «Ένθρονος Θεοτόκος», «Ένθρονος Χριστός», «Θεοτόκος βρεφοκρατούσα»,και η παράσταση της «Δεήσεως». Η διακόσμηση πού κάλυπτε το εσωτερικό του ναού ήταν ίσης σπουδαιότητας με την αρχιτεκτονική του. Υψηλοί κίονες από πορφύρα, λευκό και πρασινωπό διάστικτο μάρμαρο, στεφανωμένοι με μαρμάρινα κιονόκρανα ήταν διακοσμημένοι με γραμμές χρώματος μπλε ή χρυσαφί. Οι τοίχοι καλύπτονταν με μάρμαρα πολύχρωμα, ζωγραφισμένα από τούς πιο επιδέξιους ζωγράφους, και από ψηφιδωτά πού έλαμπαν μέσα στο βαθύ μπλε ή αργυρό φόντο.
