Per leggere correttamente il ciclo di affreschi del chiostro è necessario partire dal lato Sud, dal quale iniziano i misteri del Rosario, per poi proseguire nelle successive due pareti (Est e Nord). La parete Ovest è invece dedicata a San Tommaso d'Aquino.
Lungo le volte sono inoltre visibili decorazioni con ritratti di membri di spicco dell'ordine Domenicano, putti, figure allegoriche, motivi vegetali, stemmi, paesaggi, monocromi e grottesche.
Le pareti Sud, Est, Nord raffigurano, rispettivamente, i misteri gaudiosi, dolorosi e gloriosi. La scelta di questo tema non fu casuale. La vittoria di papa Pio V, un domenicano, nella battaglia di Lepanto (1571) fu motivo di gloria per tutto l'ordine domenicano. La data della vittoria, la prima domenica di ottobre, consacrata proprio alla Beata Vergine del Rosario, fece ricadere la scelta su questo soggetto. Dopo un primo affresco di introduzione ai 15 misteri del Rosario (gaudiosi, dolorosi, gloriosi), la parete Sud ci propone i misteri gloriosi, per concludersi con una raffigurazione in onore di Pio V e della battaglia di Lepanto.

Lungo la parete è possibile osservare la tomba di Astorgio Agnesi, morto a Roma nel 1451. Il monumento venne commissionato da un nipote del defunto sotto il pontificato di Paolo II tra il 1464 e il 1471.  In prossimità è inoltre visibile una Madonna col bambino attribuibile quasi sicuramente alla mano di Melozzo da Forlì. Nella tomba attigua riposa invece il cardinale Pietro Ferrici, domenicano, morto nel 1478. Il vicino bassorilievo della Madonna è stato attribuito da alcuni a Mino di Fiesole mentre i due angeli ai suoi lati ad un imitatore di Andrea Bregno. Oltre il portone che conduce alla scala della biblioteca Casanatense cominciano gli affreschi relativi ai misteri dolorosi: l’orazione nell' orto, la flagellazione, la coronazione di spine, la salita al Calvario ed infine la crocifissione.

Gli affreschi delle pareti sono dedicati ai misteri gloriosi e sono attribuibili a Francesco Nappi. Il forte contrasto delle volte con le pareti è da motivarsi con un rifacimento seicentesco delle prime ad opera del cardinale Decio Carafa. Lo stemma Carafa infatti è ben visibile nella terza campata. Le figure di santi domenicani raffigurati lungo le volte (alcuni con le teste mozzate) furono appositamente qui collocate in quanto questo tratto di chiostro era quello percorso dagli inquisitori domenicani per recarsi al Tribunale dell'Inquisizione. Il convento divenne infatti nel 1628 la sede della Congregazione del Sant'Uffizio. Qui nel 1633 Galileo Galilei pronunciò la sua abiura. 

La parete è interamente dedicata alla figura di San Tommaso d'Aquino. Il santo, definito "il più dotto tra i santi e il più santo tra i dotti'', fu un grande pensatore e un ammirato docente in molte università. Ha lasciato alla chiesa diverse riflessioni teologiche quali: la Catena aurea, la Summa Contra Gentiles e la Summa Theologiae. La sua vita è qui rappresentata in 5 affreschi: 1. Approvazione della Summa Theologiae, 2. Apparizione della vergine, 3. San Tommaso d'Aquino presenta la Summa ai Santi Pietro e Paolo, 4. Canonizzazione di San Tommaso d'Aquino, 5. San Tommaso con Gregorio Magno, Ambrogio da Milano, Agostino e Girolamo. La realizzazione degli affreschi è avvenuta tra 1706 e il 1721 ed è stata attribuita alla scuola di Carlantonio Coronati.
Le volte ornate di grottesche vogliono esprimere l'idea di vita come gioco, perché la sapienza si esercita anche godendosi il creato così com'è.
Nel chiostro sono visibili resti romani in quanto in quest'area sorgevano tre templi dedicati a Minerva, ad Iside e a Seràpide.