Η Συλλογή Τοιχογραφιών του Μουσείου, αν και πολύ περιορισμένη, είναι πολύτιμη, καθώς σκιαγραφεί την πορεία της μνημειακής θρησκευτικής ζωγραφικής στον ελλαδικό χώρο κατά τους βυζαντινούς και μεταβυζαντινούς χρόνους.

Η αποτοίχιση των τοιχογραφιών που βρίσκονται σήμερα στο Μουσείο υπαγορεύθηκε από ποικίλους σημαντικούς λόγους –αποκάλυψη παλαιότερων ζωγραφικών στρωμάτων, κατεδάφιση ναών κ.ο.κ.– και πραγματοποιήθηκε στις περισσότερες περιπτώσεις στη δεκαετία του 1960, από τα συνεργεία του τότε Κεντρικού Εργαστηρίου Συντηρήσεως (ΚΕΣ).

Οι πρωιμότερες χρονολογικά τοιχογραφίες της συλλογής, πρόσφατα αποκτήματα του Μουσείου, προέρχονται από μεγάλο πολυτελές κτηριακό συγκρότημα, πιθανότατα δημόσιας χρήσης, που εντοπίσθηκε στην οδό Ηρώδου του Αττικού, στην Αθήνα.

Τα σημαντικότερα ωστόσο τοιχογραφικά σύνολα προέρχονται από το ναό της Κοίμησης της Θεοτόκου, στην όχθη του ποταμού Μέγδοβα, κοντά στην Επισκοπή Ευρυτανίας. Ο ναός αυτός βρίσκεται σήμερα στο βυθό της τεχνητής λίμνης που δημιουργήθηκε με την κατασκευή του φράγματος του Αχελώου στη δεκαετία του 1960. Κατά τη διαδικασία αποτοίχισης για τη διάσωση των τοιχογραφιών, κάτω από το οψιμότερο ζωγραφικό στρώμα του πρώιμου 13ου αιώνα αποκαλύφθηκαν δύο ακόμη στρώματα ζωγραφικής, του 11ου αιώνα το ανώτερο και του 9ου αιώνα το αρχικό.

Πολλές από τις τοιχογραφίες της συλλογής προέρχονται από μικρές εκκλησίες του 13ου αιώνα, διάσπαρτες στον ελλαδικό χώρο, ενώ σπαράγματα αλλά και μεγαλύτερες συνθέσεις έχουν αποτοιχισθεί από την Αγία Φωτίδα στη Βέροια (15ος αιώνας), την Παλαιοπαναγιά στη Λακωνία (14ος αιώνας), τον Προφήτη Ηλία στο Σταροπάζαρο των Αθηνών (15ος αιώνας).

Ένα μοναδικό σύνολο τοιχογραφιών, που πρόσφατα χρονολογήθηκε με ακρίβεια στο 1449/1450, προέρχεται από την Παναγία Οδηγήτρια στην Απόλπενα της Λευκάδας. Η σπουδαιότητά του έγκειται στο γεγονός ότι συνδέει με μοναδικό τρόπο στοιχεία της παλαιολόγειας με την υστερογοτθική ζωγραφική και απηχεί το πολυπολιτισμικό περιβάλλον της Λευκάδας του 15ου αιώνα.

Η συλλογή περιλαμβάνει ακόμα μεταβυζαντινές τοιχογραφίες από το ναό του Αγίου Ανδρέα, καθολικό της Μονής της Οσίας Φιλοθέης στην Αττική (17ος αιώνας), την Παναγία της Μερέντας, επίσης στην Αττική, και το ναό της Παναγίας στους Δελφούς (18ος αιώνας).