В 1956 г. при проведении работ по укреплению здания было раскрыто несколько фрагментов живописи в приделе. В парусах и основании барабана сохранились небольшие фрагменты цикла великомученика Пантелеимона. В конхе апсиды изображён Деисус, в самой апсиде – «Поклонение жертве», в арке над конхой апсиды представлено «Благовещение», наверху арки – Христос Еммануил. На восточной стене изображён архиерей, по мнению исследователей, святитель Николай, на своде перед апсидой – фрагмент композиции «Причащение апостолов». В первом регистре южной стены – два архангела, на восточной стороне южного дверного проёма сохранился образ молодого святого, по мнению исследователей, Иоанна Кущника. В первом регистре северной стены остались фрагмент фигуры ктитора, который преподносит модель придела великомученику Пантелеимону, и декорация цоколя (на белом плате надпись не читается). В тимпанах на северной и южной стенах расположены композиции «Распятие Христово» и «Сошествие во ад», которые доминируют в небольшом пространстве придела, определяя его мемориальный характер и связь с погребальным культом. На северном и южном сводах сохранились фрагменты неизвестных сцен. А. Грабар высказал мнение, что мастера фресок принадлежат к так называемой тырновской художественной школе. В процессе реставрации росписи Лозинкой Койновой-Арнаудовой были выделены живописные приёмы, свидетельствующие о работе двух или трёх мастеров. В 1912 г. по заказу Народного музея австрийский реставратор И. Баль начал реставрацию фресок Боянской церкви, работы были прерваны с началом первой Балканской войны и возобновлены в 1914–1915 гг. художником М. Георгиевым. К началу 1930 гг. состояние фресок ухудшилось, и художником-реставратором К. Цоневым были проведены работы по их укреплению и расчистке. В 1936 г. Николай Евгеньевич Ростовцев выполнил копии с фресок Боянской церкви (Центральный исторический архив Москвы). В 1954–1955 гг. под руководством К. Цонева велась работа по раскрытию фресок в приделе над нартексом. Начиная с 1970 гг. до 1997 г. проводилась комплексная реставрация архитектуры под руководством архитектора В. Китова и росписей под руководством З. Барова и Л. Койновой-Арнаудовой в Боянской церкви, неотреставрированными остались фрески наоса. С 1968 г. церковь преобразована в Национальный музей, с 1978 г. – памятник мирового значения под эгидой ЮНЕСКО, в 1979 г. внесена в Список мирового культурного и природного наследия.