Стилистические особенности роднят росписи кафоликона монастыря Дионисия с работами мастера Феофана Критского (первая треть XVI в.), учеником которого мог являться Зорзис. Его отождествляют с критским художником XVI в. Дзордзисом Фукасом, который, согласно письменным источникам, расписал некоторые храмы в Греции и на Афоне, но ни одной его работы не сохранилось. Детальный анализ живописи позволяет исследователям выявить работу нескольких мастеров, как полагают исследователи, учеников Зорзиса. Фрески экзонартекса принадлежат неизвестному румынскому мастеру XVIII в., который пользовался в качестве образца работами Мануила Панселина. Позднее маленькие, изящные надписи были заменены грубыми прописями. В верхнем ярусе экзонартекса изображены сцены из Акафиста Пресвятой Богородице, в другом – мученики. Достопримечательностью собора считается ореховый золочёный резной иконостас конца XVIII в., украшенный богатым растительным орнаментом. От первоначального иконостаса, сооружённого на пожертвования молдавского господаря Александра в 1553 г., сохранились некоторые фрагменты внутри алтаря, например, большое Распятие, в покоях игумена, епископский трон XV в., декорированный сценами «Рождество св. Иоанна Крестителя», «Усекновение главы св. Иоанна Крестителя» и др., выполненными в высоком рельефе. Достойны внимания резные изделия, богато украшенные инкрустацией из перламутра, слоновой кости и других материалов: аналой, четыре позолоченные сени храма, сень над престолом в алтаре (1685 г.) и др. Произведениями искусства является и бронзовая утварь кафоликона: большое паникадило с литыми изображениями св. воинов и ангелов; хорoс на 72 свечи, считающийся самым древним на Святой Горе (12 небольших двусторонних икон на нём датируются 1600 г.); два больших подсвечника, лампады (1857 г.) и др. В кафоликоне хранится древняя чудотворная икона Иоанна Крестителя в позолоченной и посеребренной ризе, уцелевшая в пожаре 1535 г., известная под названием «Древний Предтеча». Образ был подарен господарем Александром в благодарность за исцеление сына Константина. В том же киоте находится икона Божьей Матери «Страстная». В левом киоте – икона «Богородица Живоносный Источник» (1669 г.) и икона преподобного Дионисия (XVI в.). Рядом с центральным проскинитарием находится икона Иоанна Крестителя (1688 г.) в ризе (1930 г.). Праздничный ряд иконостаса состоит из икон (51х41 см), которые являются образцом искусства иконописи критской школы первой половины XVI в. В местном ряду иконы Христа и Богоматери также созданы в XVI в., икона Иоанна Крестителя написана в XVII в. (серебряный нимб – XIX в.). На внутренней поверхности северо-восточной колонны сени престола находится драгоценная дароносица начала XVIII в., напротив неё на стене – ковчег с мощами святителя Нифонта и его жезл. На престоле хранится крест, дар монастырю Дионисия императрицы Елены Драгаш (ум. в 1450 г.), супруги императора Мануила II, принявшей впоследствии постриг с именем Ипомони (греч. – терпение). Крытая галерея (20х4 м) между трапезной и экзонартексом расписана сценами из Апокалипсиса – это первый по времени создания цикл из десяти аналогичных, сохранившихся на Святой Горе.