Според един от последните реставратори на стенописите в Боянската църква, Владимир Цветков, в нея са запазени следи от девет разновременни живописни намеси. Три (а според хронологическата интерпретация на В. Цветков дори четири) от тях могат да бъдат видени в наоса и притвора (нартекса). Днес най-късните и най-добре запазени стенописи в тези две помещения датират от 1258/59 г., докато по-късните стенописи са свалени и изложени в Националния исторически музей и Музея за християнско изкуство на Националната художествена галерия (Криптата). Параклисът пази следите на поне 4 стенописни пласта. В предверието in situ са запазени стенописи от ХІІІ в. (в северната и патронната ниши) и един фрагмент от ХІХ в. в южната ниша. Тук също са експонирани стенописи, свалени от наоса и преддверието (датиращи от 1258/59 г. и ХVІІ в.). Стенописите на Самоковската школа от ХІХ в., за които говори К. Иречек при посещението си в църквата през 80-те г. на същия век, не са съхранени.
За повече от век стенописите са били пет пъти обект на цялостна реставрация, като междувременно са извършвани множество частични намеси. Първата реставрация започва по инициатива на царица Елеонора Българска през 1912 г. от австро-унгарския художник Йозеф Бала и българския художник Марин Георгиев Устагенов, който довършва започнатото в следващите до 1915-а години.
Основните реставрационни работи в архитектурата и стенописите на църквата са извършени, след като тя престава да функционира като религиозен храм през 1954 г. и е предадена на Комитета за култура на Народна република България през 1965 г. Най-дълго продължават реставрационните дейности, ръководени от Лозинка Койнова-Арнаудова в периода 1976 – 1997 г. Последната по-значителна реставрация завършва през 2006 г. – тя е реализирана вследствие на дарителска акция, организирана от Националния исторически музей. В периода 2006 – 2008 г. проф. Григорий Григоров и Владимир Цветков реализират някои довършителни дейности, които де факто са последните реставраторски намеси преди 2023 г.
Фрагменти от най-ранния живописен слой са запазени в наоса: в апсидата, по северната и южните стени. Те вероятно датират от Х или ХI в.
Вторият живописен слой, който в миналото е интерпретиран като първи, е покривал изцяло наоса. Датировката, около която се обединяват повечето изследователи, е XII век. Той е по-добре проучен, като различни по големина и брой фрагменти от него могат да се видят под стенописния пласт от 1258/59 г. навсякъде в наоса. За изписването му е използвана фреско техника. Разкритите стенописи от този период не са достатъчно, за да бъде възстановена иконографската програма в наоса, но прави впечатление, че на някои места (апсидата, западния свод, източната стена) има иконографски съвпадения с изображенията от 1258/59 г.
Остава неясно дали фрагментите от двата най-ранни стенописни пласта в нартекса са синхронни на тези в наоса. Съществуват две хипотези относно тяхната хронология:
- Първата е, че всеки от тях е създаден синхронно на първия и втория пласт в наоса.
- Втората е, че първият пласт в нартекса е синхронен на втория в наоса, т.е. датира от ХІІ в., а вторият пласт в нартекса е създаден през ХІІІ в. преди този от 1258/59 г.
Фрагменти от тези два пласта могат да се видят по източната стена на нартекса, служила първоначално за западна фасада на най-старата (източна) част от църквата, но фрагмент от втория има и на северната стена до образа на севастократор Калоян.
Боянската църква дължи своята световна известност преди всичко на стенописите от 1258/59 г., които носят характерните белези на православното изкуство и на българската култура от времето на Второто българско царство (1185 – 1396 г.). Стенописите покриват целия долен етаж на църквата (наоса, нартекса и източната стена на преддверието, служила за западна фасада на църквата между ХІІІ и ХІХ в.), посветен на свети Никола.
Характерно за стенописите в Боянската църква от 1258/59 г. е, че немалко от близо 240-те изображения на човешки лица се отличават с виталност, индивидуалност, нюанси на психологическото състояние и висока художествена стойност. Те са причина някои изследователи в миналото да интерпретират тяхното значение и място в историята на изкуството като предвестници на европейския Ренесанс в Средновековна България.
От стенописите в достъпните към момента части от църквата специално внимание заслужават:
- Величественият образ на Христос Вседържител (Пантократор) в купола на наоса. В лявата си ръка той държи разтворено евангелие, а с дясната благославя.
- Майсторските изображения на неръкотворните св. Убрус и св. Керемида в подкуполното пространство и тези на Христос Благодетел (Евергет), вероятно копие на известна чудотворна икона, съхранявана през XII – XIV в. в манастира „Христос Евергет“ в Константинопол, и на св. Никола в наоса.
- Маниерните образи на архангел Гавраил от Благовещението и сцената на Възнесението в наоса.
- Най-старият познат и съхранен до днес образ на българския национален светец Иван Рилски, живял през X век и дал началото на Рилския манастир.
- Св. Ефрем от Сирия, чиито всевиждащи очи според поверието следват посетителя във всяка точка на църквата.
- 18-те житийни сцени от живота на св. Никола върху свода на притвора от неговото раждане до неговото успение. Между тях е единственото средновековно стенописно изображение на Чудото с килима.
- Емблематичните изображения в притвора на ктиторите: севастократор Калоян и съпругата му севастократорица Десислава, и на българското царско семейство: цар Константин Тих Асен и царица Ирина. Те са едни от най-ценните и високохудожествени стенописни портрети в старата българска живопис и едни от най-старите запазени портретни изображения на исторически личности от Българското средновековие. Изписани са в цял ръст, с богати одежди, съответстващи на ранга им, като лицата им излъчват достолепие и изтънченост. Царската двойка е представена с инсигниите, съответстващи на царското им достойнство, а около главите на владетеля и неговата съпруга има ореоли, поради средновековните схващания, че царската власт има божествен характер и владетелят е земен наместник на Христос.
В параклиса на втория етаж, който е посветен на свети Пантелеймон, стенописта е запазена частично. Предполага се, че е пострадала силно при земетресение, разрушило купола и изложило стенописите на пряко атмосферно влияние. Тук са запазени фрагменти от: сцените Благовещение, Поклонение на жертвата, Разпятие, Възнесение, Съшествие в ада, вероятно Дейсис и погребението на св. Пантелеймон; образите на св. Пантелеймон, светите архангели, ктитора и различни светци; както и кирилски надписи и декоративни елементи.