L'attrazione maggiore della chiesa sono i bellissimi affreschi che ne ornano le pareti facendone un autentico tesoro della pittura lombarda del Cinquecento. Nella chiesa furono attivi nell'arco del secolo molti pittori tra cui Bernardino Luini e i suoi allievi, Callisto Piazza, Antonio Campi, Simone Peterzano. Si devono al Luini gli affreschi sul tramezzo della navata e le "Storie della vita di Santa Caterina" dipinte nella terza cappella a destra. Nel coro delle monache sono sempre del Luini le "Storie della Passione" sulla parete del tramezzo; nella loggia, tondi con figure di Sante sono attribuiti al Boltraffio (1510). Nel 1986 un lascito anonimo
ha permesso di iniziare gli importanti restauri che hanno riportato gli affreschi al loro antico splendore.