У исследователей существуют данные для теоретического воссоздания подкупольного перехода и купольной главы церкви. Сохранились блоки кольцевого карниза, проходившего в основе барабана. При раскопках были выявлены камни больших (пролёт 2,2 м) конусных тромпов, оформленных раковинами. Барабан мог быть двенадцатигранным, с узкими нишами, располагавшимися по линии рёбер; купол был оформлен резными лучами, исходящими из его вершины. Внешняя поверхность стены представляла собой тридцатигранник, оформленный равнопролётной аркатурой, опиравшейся на фланкировавшие рёбра (кроме одного) спаренные полуколонны, капители которых были украшены пальметтами. Обнаружены все детали архивольтов аркатуры, профилированных в нижней части и орнаментированных лозой в верхней. Между арками и над ними проходил резной фриз в виде ветвей лозы и гранатового дерева. Внутренняя поверхность наружной стены была оформлена аркатурой, в которой широкие пролёты с арочными архивольтами и высокими окнами чередовались с глухими узкими, завершавшимися треугольными щипцами. Выше уровня аркатуры стену прорезал ряд круглых окон; по реконструкциям – по одному в каждой внешней грани. Их обводка, так же как и аркатура второго яруса и арки порталов, была украшена орнаментальной резьбой. В окнах находились резные каменные решётки, в ячейки которых, по мнению исследователей, вставлялись круглые стёкла. В отличие от большинства памятников средневековой Армении и византийского мира в целом фасады Звартноца были украшены антропоморфными рельефами, располагавшимися под роскошным виноградно-гранатовым фризом (т.е. между архивольтами). Часть изображённых держат в руках строительные или садовые инструменты, поэтому одни исследователи считают их строителями храма, другие – ктиторами. Согласно недавно выдвинутой версии, это – изображения царя Трдата III Аршакуни, Григория Просветителя и других деятелей церкви, которые в армянских хрониках именовались «строителями». Образы в контексте райского сада, а также их аналоги в рельефах с изображением апостолов на барабанах собора Эчмиадзин (около 620 г.) и апостолов или пророков (?) на барабане собора св. Апостолов в Карсе (930 гг.) позволяют исследователям видеть в них пророков, апостолов, евангелистов и даже равноапостольных святых Армянской церкви. Ключи в руке одного из них (как и на аналогичном рельефе Эчмиадзина) указывают на то, что это может быть апостол Пётр. На данный момент обнаружено 12 изображений, но всего их могло быть 28 (лики ни одного из них не сохранились). Убранство интерьера также отличалось исключительным богатством. Профилированные базы колонн установлены на кубовидные пьедесталы, ионические капители колонн экседр имеют корзинообразную, оформленную плетёнкой нижнюю зону. Арки над ними дублированы архивольтами.