Una prima decorazione, probabilmente di poco successiva alla costruzione della chiesa, era costituita da una dipintura a fondo blu cupo, ancora conservata su parte della parete di fondo e sulle volte, dove furono realizzati due tondi col Cristo in maestà benedicente e l’Agnus Dei.

Intorno al 1390, ignoti artisti, noti come “i maestri della Cappella Oliveri”, affrescarono il ciclo principale. Il primo artista, forse il più anziano, è più tradizionale e sembra riconducibile all’ambiente artistico toscano, che in quel periodo estendeva la sua influenza in Liguria.

Il secondo pittore, dai modi più aggiornati e probabilmente più giovane, appare più sensibile al piacere del colore, con una resa delle figure delineata da variate e luminose tonalità.

Sulla parete di fondo della cappella, ai lati dell’alta finestra, appaiono raffigurati un Padre Eterno con un volo di angeli alla sua sinistra e nei riquadri sottostanti  l’Annunciazione, l’Incontro alla Porta Aurea e l’Orazione nell’Orto, della quale rimane solo il volto del Cristo.

In basso un affresco devozionale con Santa Caterina, San Bernardo abate e un’altra santa martire fu eseguito da un terzo pittore.

Sulla parte sinistra, le Storie della vita di Maria comprendono, dal basso verso l’alto, l’Imposizione del nome a San Giovanni Battista, le Nozze della Vergine, la Fuga in Egitto, la Disputa al tempio, la Morte della Vergine e nelle lunette l’Apparizione dell’Assunta a S. Tommaso col miracolo della sacra cintole e, infine, l’Incoronazione della Vergine, entrambe con angeli musicanti.

Le scene della Passione del Cristo, sulla parete destra, molto manomessa per l’apertura di alcune finestre nella fase carceraria, comprendono invece una Crocifissione sulla parete di fondo del sepolcro ad arco acuto, decorato con tondi con i busti degli Evangelisti e santi.

I riquadri superiori presentano solo pochi frammenti pittorici con una Pietà, della quale rimangono solo tracce di una figura di un santo che presenta la famiglia genuflessa del committente, il Rinvenimento del sepolcro vuoto da parte delle Marie e, nella lunetta, una Resurrezione o l’Ascensione del Cristo.

La Cappella, appartenente originariamente alla famiglia Oliveri, il cui stemma fu dipinto sulle volte,  prima del 1589 passò agli Arnaldi e l’ambiente conobbe varie trasformazioni legate al mutare dei gusti decorativi; in questa fase gli affreschi furono picchettati e coperti da intonaci. Dopo il 1865, l’adattamento della Cappella alle esigenze del penitenziario comportò ulteriori manomissioni, con nuove aperture e suddivisioni degli spazi.

Il ciclo di affreschi, rinvenuto nel 1965 sotto vari strati di intonaco, è stato oggetto di un complesso restauro nel 2003. In questa occasione furono ricollocati nella loro posizione originaria i brani di affreschi strappati nel 1865, al momento della soppressione del convento, da parte dell’Accademia Ligustica di Belle Arti e trasferiti a Genova.