С южной стороны нартекса над окном представлена сцена "Уверение Фомы". Композиция сцены трехчастная, в центре "при дверях запертых" для неверующих, стоит Христос, который сам есть "Дверь истинная". Он обнажает свою рану, демонстрируя ее Фоме, который вытягивает палец, не веря глазам своим. Ученики Христа с двух сторон опять созерцают эту сцену. Расположенная прямо напротив сцены "Омовения ног", она образует с ней смысловую взаимосвязь и перекликается по композиции. При этом Христос не просто присутствует среди учеников своих в едином с ними пространстве, как это представлено в сцене омовения ног, когда Он жил среди людей. Его человеческая жизнь прожита, и Он предстает перед апостолами иначе. Он с ними и Он уже отделен от них. За его спиной – Дверь, о которой говорит Евангелие от Иоанна (Иоанн 10:9): "Я есмь Дверь: кто войдет Мною, тот спасется…". Рамка портала образует своеобразную границу вокруг фигуры Христа, который теперь уже находится в самом центре композиции. Благодаря возможностям, предоставленным криволинейной поверхностью, лики апостолов максимально повернуты к зрителю, что, однако, не мешает им взаимодействовать друг с другом.
Справа от сцены "Уверение Фомы", напротив "Сошествия во Ад" в тимпане западной стены южного компартимента размещены фронтально вокруг креста император Константин и его мать Елена, и в медальонах мученицы Фекла, Агафа, Анастасия, Феврония и Евгения. В арке, обрамляющей "Неверие Фомы", апостолы Фома и Филипп изображены в полный рост, а между ними Варфоломей в медальоне. В арке, обрамляющей "Омовение ног" размещены Матфей и Лука по бокам в полный рост и между ними – Симон в медальоне. В арке, обрамляющей центральный компартимент нартекса справа изображены Павел, Иаков и Иоанн Евангелист, а слева – Петр, Марк и Андрей.
Храмовая декорация кафоликона отличается особой строгостью и иконографической четкостью, но при этом игра света по цветным поверхностям мраморных полов и карнизов, по сияющим поверхностям мозаик на золотом фоне, создает ощущение невесомости и неземной красоты. Отто Демус отмечает, что из всех сохранившихся памятников иконографическая система Осиос Лукас - самая строгая. "Мозаики этого храма расположены с абсолютной симметрией относительно оси запад-восток, и даже позы, одежды и цвет второстепенных фигур во второстепенных компартиментах церкви в соответствии с их положением выбраны с учетом этой оси. Подобным же образом дополняют друг друга мозаики двух пониженных капелл (рукавов трансепта): декорация каждой из них состоит из изображения Христа, двух поклоняющихся ангелов и святого в медальонах свода, полуфигуры Богоматери с младенцем в восточном люнете, фигуры местночтимого святого в западном люнете и трех медальонов со святыми на обеих арках - северной и южной. Обе фигуры Богоматери обращены к центру храма, однако, поскольку Богоматерь одновременно должна смотреть и на Богомладенца, в северном рукаве трансепта она держит его на левой руке, а в южном - на правой"32. На сводах нижней капеллы северного рукава креста рядом с Христом изображен Иаков, брат Господень, которого по обычаю считали первым епископом Иерусалимским. С противоположной стороны в симметричной капелле рядом с образом Христа Пантократора изображен Захария. О. Демус видит в присутствии Иакова акцент на роли Христа, как основателя христианской Церкви, а в присутствии Захарии акцент на роли Христа как завершителя ветхозаветной эпохи. Таким образом северная и южная капеллы представляют конец иудейской Церкви и начало Церкви христианской. "Мозаики этих капелл, художественные особенности которых различаются в соответствии с разницей в освещении, - всего лишь небольшая деталь развитой декоративной программы, но даже эта деталь показывает, насколько замысловато, упорядоченно и грандиозно целое. Некоторые особенности этой схемы, по всей видимости, уходят корнями в ранневизантийскую эпоху и для XI в. кажутся безусловно архаичными. Среди этих деталей - ветхозаветные сцены (первоначально их было четыре) в боковых капеллах алтаря, две из которых - "Даниил во рву львином" и "Три отрока в пещи огненной" - сохранились в люнетах южной капеллы33". Обе эти сцены символизируют Спасение, которое ознаменовалось Воскресением Христа. Тема Воскресения представлена в южном компартименте нартекса в сцене "Сошествие Христа во Ад". В связи с этим Отто Демус высказывает предположение, что, соответствующие сцены в северной капелле алтаря (не сохранились) должны быть связаны со сценой Распятия, представленной в северном компартименте нартекса. Он предполагает, что это могли быть композиции, связанные с Мелхиседеком и Авраамом, чьи жертвоприношения осмыслялись как прототипы жертвы Христа. Таким образом, создавалась бы система параллелизмов, которые сопоставляли бы новозаветные "Распятие" и " Сошествие во Ад" в западном конце храма, то есть в нартексе, с их ветхозаветными прообразами в восточном конце, то есть в алтаре. "В других ансамблях XI в. на перекличку Ветхого и Нового Заветов указывали лишь одиночные фигуры и изображения в медальонах"34. Важной особенностью иконографической программы Осиос Лукас является ее "монашеский, местный и провинциальный характер, заметный по большому числу изображений святых монахов, в особенности чтимых местно. Образы таких святых, как Лука Стириот (патрональный святой храма), Лука Гурникиот, Никон Метаноит и другие, занимают видные места, которые в других памятниках обычно отводились отцам Церкви". Это обстоятельство, по мнению Отто Демуса, напоминает о том, что, хотя монастырь и является памятником, построенным по заказу императора, тем не менее, он "остался весьма удаленной от городских центров сельской обителью". Это отразилось на стиле мозаик монастыря, пропитанных духом монашеской суровости, их строгом колорите, а также обусловило появление столь большой "агиографической галереи". Однако в целом иконографическая программа кафоликона демонстрирует строго продуманную систему декорации и следует за формулой, которая начала активно формироваться в константинопольских храмах после долгих лет иконоборчества.35 При этом преобладание индивидуальных фигур соответствует тексту проповеди, написанной Императором Львом VI (886-912) для освящения церкви Kauleas.
Анализируя систему мозаичной декорации кафоликона Осиос Лукас, Отто Демус связывает композиции сцен и некоторые особенности размещения образов с влиянием литургического фактора на ее создание: "Среди художественных приемов, использование которых способствовало созданию впечатления единства комплекса, преобладают приемы, связанные с соображениями литургического характера. Это, например, такое расположение композиций, при котором главные фигуры приведены в строгое соответствие с литургическими осями храма, или размещение фигур основных действующих лиц сцены на главной (восточной или западной) половине треугольных ниш тромпов, и т.д. Кроме того, мастера прекрасно знали о возможностях отрицательной перспективы и "образотворческих" способностях выгнутых участков стен"36. В сравнении с мозаиками нартекса мозаики наоса (основного тела храма) выглядят несколько жесткими и суровыми. Стиль мозаик нартекса отличается большей гибкостью и утонченностью. Фигуры апостолов с помощью легких поворотов образуют единые группы в композициях мозаик малых апсид (полукруглых ниш в северном и южном торцах нартекса, композиции сбалансированы. Кроме того, весьма разнообразными стали орнаментальные обрамления, что привело и к обогащению цветовой гаммы… "Колорит мозаик нартекса Осиос Лукас более гармоничен, чем колорит мозаик наоса, хотя он и не утрачивает своеобразного сурового достоинства, которое, судя по всему было отличительной чертой стиля раннего XI века".37
Самые важные, согласно иерархическому принципу, мозаики купола кафоликона были разрушены землетрясением 1593 года, и принято считать, что на их месте находятся фрески с теми же сюжетами. В центре изображение Христа Пантократора, ниже Богородица, Иоанн Креститель, архангелы Гавриил, Рафаил, Михаил и Уриил, а между окнами – 16 пророков (фрески 17 века). "Небо небес" завершается карнизом, а далее в нишах тромпов располагались четыре евангельские сцены начала земной жизни Христа: Благовещение (не сохранилось), Рождество, Крещение и Сретение. Крещение и Сретение уравновешенны и композиционно не перегружены, главные персонажи выдвинуты к центру. В Крещении обнаженного Иисуса покрывают воды Иордана, персонификация которого изумленно смотрит на крест, воодруженный на постамент в самом углу тромпа, сверху над головой Иисуса видна десница Бога –Отца, указывающая перстом на Спасителя и Голубь Св. Духа, спускающийся в луче Света, который нисходит от Отца к Сыну. Таким образом, мы наблюдаем здесь своего рода изображение Троицы, выстроенное по вертикали. Сцена Рождества довольно насыщенна персонажами, так как здесь одновременно представлены еще и Поклонение Волхвов и Купание Младенца. В виме над алтарем помещается изображение "Пятидесятницы" - "Нисхождения св. Духа на апостолов", которое, к сожалению, сильно повреждено. В центре купола в синем медальоне изображен "престол уготованный" с Евангелием и голубем св. Духа, от медальона исходят 12 лучей с язычками пламени, нисходящими на апостолов. Сильно повреждены четыре апостола, и группы, представляющие "Племена" и "Языки". В центральной апсиде алтаря на фоне "бескрайнего золотого Неба" на престоле сидит Богородица с младенцем Христом на коленях, ниже в люнетах окон – Деисис: в центре – Иисус, а в боковых окнах – Богородица и Иоанн Креститель. Ниже в небольших полусферических поверхностях в четырех полунишах изображены Василий Великий, Иоанн Златоуст, Николай из Мирры и Григорий Чудотворец. В диаконнике сохранились композиции "Даниил во рву львином" и "Отроки в пещи огненной". Справа перед диаконником в нише можно видеть изображения Григория Чудотворца, Дионисия Ареопагита и ряда других святых. Изображение самого св. Луки Стириота (Осиос Лукас) можно видеть в люнете западной стены северного рукава креста. В юго-западном компартименте сохранились фрески: в нише – Одигитрия, сверху – Небо, Крест и Десница Господня, Встреча Христа с Иоанном Крестителем, десять святых в медальонах и семь в полный рост. В северо-западной часовне представлены Вседержитель на низком куполе, Преображение на восточной стене, Распятие на южной, Вознесение Пророка Ильи на западной, а ниже Христос в образе Эммануила, архангелы Михаил и Гавриил и 20 святых в медальонах или в полный рост, среди которых можно видеть и изображение св. Луки. Некоторые фрески сохранились в северо-восточной часовне, соединяющей обе церкви. Здесь проходили больные и желающие поклониться раке с останками св. Луки, находящейся под киворием. В западной части этого помещения изображены: Богородица с младенцем (Одигитрия), Св.Кириак, Николай, Двое святых (Косма и Дамиан?) и св. Лука над ракой. На южной стене представлена сцена: настоятель монастыря Филофей, построивший кафоликон, преподносит его св. Луке. Программа фресковой живописи кафоликона подверглась добавлениям и реставрациям в 1820 году38. Археологическая служба многие годы ведет работы по их консервации и сохранению с 1938 года до настоящего времени39.