По мнению историков, возведение базилики заняло не больше 4–6 лет, поскольку она была меньше базилики апостола Петра в Ватикане. Верхние части стен базилики, в как полагают исследователи, уже в V в. украшали мозаики со сценами из Ветхого и Нового Заветов. В главной апсиде также находилась мозаика, как полагают исследователи, изначально нефигуративная: растительный орнамент на золотом фоне. В 428–430 гг., при папе Целестине I, вместо орнамента появилось сюжетное изображение. Его описания не сохранились; исследователи предполагают, что это мог быть один из вариантов Теофании, характерной для декорации ранних церквей. В центре могли быть помещены большой, инкрустированный драгоценными камнями крест, образ Христа в медальоне и фигуры апостолов или образ Христа в рост с предстоящими апостолами Петром и Павлом. Весь мозаичный декор V в. был утрачен в конце XIII в., во время предпринятой по инициативе папы Николая IV (1288–1292 гг.) реконструкции зоны пресбитерия, когда древняя апсида была полностью перестроена, и появился поперечный трансепт. Единственный фрагмент мозаики V в. из апсиды базилики (медальон с оплечным образом Христа Пантократора) был включён художниками Якопо Торрити и Якопо да Камерино в мозаику 1291 г. (в XIX в. древний фрагмент был утрачен). Эта композиция представляла собой крест в центре, над ним – образ Христа, по сторонам – Деисус (справа предстоят: Богоматерь, папа Николай IV, святой Франциск Ассизский, апостолы Пётр и Павел, слева – святой Иоанн Предтеча, святой Антоний Падуанский, апостол Иоанн Богослов и апостол Андрей). На кресте в месте пересечения ветвей был представлен медальон со сценой «Крещение». Основание креста покоилось на холме, из-под которого вытекали четыре райские реки. К их водам припадали олени и агнцы. Современная мозаика в апсиде выполнена в 1883–1886 гг. по заказу папы Льва XIII (1878–1903 гг.). Согласно сведениям из «Liber Pontificalis», император Константин I Великий сделал в Латеранский комплекс много драгоценных вкладов. В частности, семь серебряных престолов (где они размещались, не указано) с тремя подсвечниками на каждом из них, а также 169 серебряных подсвечников для освещения разных помещений базилики. Кроме того, им был заказан так называемый fastigium – специальная конструкция, поставленная на границе центрального пространства базилики и её алтаря. Она представляла собой подобие триумфальной арки. На постаменте были установлены четыре яшмовые колонны, на которых лежал треугольный фронтон. На стороне фронтона, обращённой в центральный неф, были помещены 13 фигур в натуральную величину: Иисус Христос и предстоящие Ему апостолы с коронами в руках. С внутренней стороны, направленной к алтарю, – Христос и четыре поклоняющихся ему ангела с копьями. Вся конструкция была сделана из серебра, фигуры на фронтоне покрыты позолотой. Предположительно (гипотеза высказана Б. Бренком), изображение Христа с 12 апостолами на фастигиуме повлияло на популярность этого сюжета в раннехристианском искусстве (IV – первая половина V вв.), где сцена «Христос с апостолами» была широко распространена в живописи, скульптуре и мелкой пластике. Фастигиум императора Константина I Великого был утрачен в 410 г., во время разграбления Рима вестготами, в 432–440 гг. император Валентиниан III пожертвовал базилике новый.