Door het onderzoek naar de restauratiegeschiedenis van de Onze-Lieve-Vrouwebasiliek is bekend dat in de 19de eeuw talrijke muurschilderingen werden ontdekt tijdens de ontpleistering van het interieur. Veel aandacht ging naar de schilderingen in het koor met Maria, apostelen, Christus en profeten. Die bleven niet bewaard maar zijn gekend door iconografische bronnen, onder meer de tekeningen op ware grootte door Jean Vander Plaetsen uit 1862 (Brussel, Koninklijke Musea voor Kunst en Geschiedenis).

Vandaag is een vroeg 15de-eeuwse voorstelling van de Heilige Petrus te zien op een zuil aan de noordzijde. De apostel heeft een boek in de hand en wordt gekarakteriseerd door zijn specifieke haardracht. Die schildering is tijdens de jongste restauratiewerken tevoorschijn gekomen achter de preekstoel.

In de doopkapel in het zuidelijke zijschip is links van het altaar de figuur van de Heilige Egidius (Sint-Gillis) met hinde bewaard. De legende verhaalt hoe hij zijn geboortestad Athene verliet om in Zuid-Frankrijk in eenzaamheid te leven. Daar werd hij met melk gevoed door een hinde. Tijdens een koninklijke jachtpartij werd de kluizenaar getroffen door een pijl die bedoeld was voor de hinde. Op verzoek van de koning stichtte de heilige de abdij Saint-Gilles in de Provence waar hij de eerste abt werd. Daar ontstond ook een bekende bedevaartplaats. Sint-Gillis was ook de patroon van een hulpkerk in Mulken die geen dooprecht had. Misschien is het daarom dat hij in de doopkapel van de Tongerse basiliek staat afgebeeld.

Verder verspreid in het kerkgebouw zijn nog talrijke sporen van architectuurpolychromie op te merken.

Ten slotte, als een verborgen curiosum, bleven schilderingen bewaard op de westmuur boven de gewelven van de Sint-Annakapel, die in 1370 werd gebouwd tegen de noordwestelijke hoek van het kloosterpand. Oorspronkelijk had deze kapel wellicht een vlak houten plafond. Van de voorstellingen rest de rode ondertekening. Volgende taferelen zijn herkenbaar: de Opdracht van Jezus in de tempel, de Hemelvaart van Christus en een engel die zielen uit het vagevuur verlost (?). Zij kunnen gedateerd worden in de 14de eeuw.