Tα τμήματα του ψηφιδωτού δαπέδου προέρχονται από τη λεγόμενη βασιλική του Ιλισσού, μία από τις πιο σημαντικές παλαιοχριστιανικές βασιλικές στην πόλη της Αθήνας. Ήλθαν στο φως με τις ανασκαφικές έρευνες που πραγματοποίησε στο μνημείο ο Γεώργιος A. Σωτηρίου, ένας από τους πρωτεργάτες της χριστιανικής αρχαιολογίας, κατά τα έτη 1916 και 1917. Συγκεκριμένα, ψηφιδωτά δάπεδα εντοπίστηκαν στα δύο διαμερίσματα δεξιά και αριστερά από το Ιερό Βήμα, στο νότιο διαμέρισμα του νάρθηκα και μπροστά από αυτόν.

Παρά την αποσπασματική τους διατήρηση, τα ψηφιδωτά μαρτυρούν διακόσμηση εξαιρετικής ποιότητας. Η επιφάνειά τους κοσμείται από αλυσιδωτό πλέγμα που τη χωρίζει σε επιμέρους τμήματα, τα οποία φέρουν ποικίλα διακοσμητικά θέματα, συνδυάζοντας τη ρωμαϊκή με τη χριστιανική παράδοση. Στην πρώτη ανήκουν στοιχεία όπως: πλέγμα με μορφή αλυσίδας (πλοχμός), σχηματοποιημένο άνθος κυκλικής μορφής (ρόδακας), κισσόφυλλα, μοτίβα που μοιάζουν με λέπια (φολίδες) και υδρόβια πτηνά. Στα χριστιανικά θέματα συγκαταλέγονται οι ελισσόμενες κληματίδες από τις οποίες φύονται σταφύλια (βότρυες) και φύλλα αμπέλου (σύμβολο της χριστιανικής παραδεισιακής μακαριότητας), τα στεφάνια από φύλλα δάφνης (θέμα που θεωρείται σύμβολο νίκης, γνωστό και από τους ρωμαϊκούς χρόνους), μικροί σταυροί, καθώς και άλλα γεωμετρικά και φυτικά θέματα. Τα διακοσμητικά στοιχεία διακρίνονται για την πολυχρωμία και τη χάρη της εκτέλεσής τους. Tα χρώματα των ψηφίδων είναι λευκό, μαύρο, βαθύ ερυθρό, πορτοκαλί, φαιό, ανοιχτό ιώδες, καστανό, κίτρινο, ρόδινο, κυανό και πράσινο. Tο σχέδιο, ιδίως της κληματίδας, προδίδει λεπτότητα και επιμέλεια στην διάταξη των περιγραμμάτων.