Σύμφωνα με το υπουργείο Πολιτισμού, στη Μονή διατηρούνται δυο στρώματα τοιχογραφιών, υψηλής καλλιτεχνικής ποιότητας, των ύστερων βυζαντινών χρόνων, που αντανακλούν τις αισθητικές τάσεις της Κωνσταντινούπολης.

Κατά τις εργασίες συντήρησής τους, η αρχαιολόγος Δρ. Αναστασία Κουμούση, Διευθύντρια της Εφορείας Αρχαιοτήτων Αχαΐας, εντόπισε στο δεύτερο στρώμα τοιχογράφησης, το οποίο βάσει τεχνοτροπικών κριτηρίων χρονολογείται με ασφάλεια, στα μέσα του 15ου αιώνα, τη μοναδική προσωπογραφία του τελευταίου αυτοκράτορα του Βυζαντίου.

«Το έργο που υλοποιούν οι Εφορείες Αρχαιοτήτων του Υπουργείου Πολιτισμού, δήλωσε η Υπουργός Λίνα Μενδώνη, στο πλαίσιο της συντήρησης και αποκατάστασης των μνημείων, αποδεικνύεται, για ακόμη μια φορά, εξαιρετικά σημαντικό, καθώς φέρνει στο φως μοναδικές αρχαιολογικές μαρτυρίες που συνδέονται με ιστορικά πρόσωπα. Το επιστημονικό προσωπικό των Εφορειών του ΥΠΠΟ, με μεγάλη εμπειρία, υψηλή κατάρτιση και σφαιρική γνώση τόσο των ιστορικών γεγονότων, όσο και των αρχαιολογικών δεδομένων, είναι σε θέση να τεκμηριώσει, μετά από ενδελεχή μελέτη, κάθε εύρημα που έρχεται στο φως. Στην προκειμένη περίπτωση το πορτραίτο συνδέεται με τον τελευταίο αυτοκράτορα του Βυζαντίου και αφορά στη μοναδική εν ζωή προσωπογραφία του. Ο ζωγράφος, πρέπει να απέδωσε τα προσωπογραφικά χαρακτηριστικά του τελευταίου αυτοκράτορα του Βυζαντίου ΙΑ΄Κωνσταντίνου Παλαιολόγου, από ιδία αντίληψη, δηλαδή το πρότυπό του να μην ήταν ένα επίσημο αυτοκρατορικό πορτραίτο, όπως συνηθιζόταν, αλλά ο ίδιος ο αυτοκράτορας».

Στην τοιχογραφία απεικονίζεται η μορφή ενός ώριμου άνδρα που φέρει αυτοκρατορικά «διάσημα» (πολυτελή λώρο πάνω από τον ανοιχτόχρωμο σάκκο, διάλιθο στέμμα) και κρατά σταυροφόρο σκήπτρο. Ο χρυσοκέντητος πορφυρός του μανδύας διακοσμείται με μετάλλια, στα οποία εγγράφονται δικέφαλοι αετοί με στέμμα ανάμεσα στις κεφαλές τους, διακριτικό των μελών της οικογένειας των Παλαιολόγων. Η παρουσία των δικέφαλων αετών στo ένδυμα της μορφής, σε συνδυασμό με τα υπόλοιπα insignia, αποτελούσαν ένα εικονογραφημένο μήνυμα που επέτρεπε στον θεατή να ταυτοποιήσει αδιαμφισβήτητα τον άντρα με αυτοκράτορα.

Ο αυτοκράτορας που απεικονίζεται είναι ιστορικό πρόσωπο και ταυτίζεται με τον Κωνσταντίνο ΙΑ΄ Παλαιολόγο, αδελφό των χορηγών της ανακαίνισης της Μονής, των δεσποτών Δημήτριο και Θωμά. Είναι η τελευταία χρονολογικά σωζόμενη προσωπογραφία αυτοκράτορα στη βυζαντινή μνημειακή ζωγραφική και το μοναδικό πορτρέτο του Κωνσταντίνου Παλαιολόγου, σύγχρονο με τη σύντομη βασιλεία του (6 Ιανουαρίου 1449-29 Μαίου 1453).

Ως πορτρέτο δεν είναι ιδεαλιστικό ή τυποποιημένο. Πρόκειται για αυθεντική προσωπογραφία, που αποδίδει με ακρίβεια τα φυσιογνωμικά χαρακτηριστικά του τελευταίου βυζαντινού αυτοκράτορα. Είναι μια μορφή γήινη, ένας ώριμος άντρας, με λεπτό πρόσωπο και εξατομικευμένα χαρακτηριστικά, που αποπνέει ηρεμία και ευγένεια. Στον Μυστρά απ’ όπου πιθανότατα προερχόταν ο ζωγράφος που εικονογράφησε το δεύτερο στρώμα του Καθολικού, ο Κωνσταντίνος Παλαιολόγος είχε ζήσει πέντε χρόνια ως δεσπότης, πριν στεφθεί αυτοκράτορας. Το αυτοκρατορικό πορτραίτο συνδέεται με τη γνωστή από τις γραπτές πηγές γενναιόδωρη χορηγία των αδελφών του στη μονή, μετά τη λήξη του πρώτου μεταξύ τους εμφυλίου πολέμου (1449–1450), που επιτεύχθηκε με τη «διαιτησία» τού Κωνσταντίνου, όπως αναφέρει ο Λαόνικος Χαλκοκονδύλης.