Las cúpulas y bóvedas que rodean y coronan la Santa Capilla de la Basílica del Pilar están decoradas con frescos realizados en distintas etapas. En 1753, Antonio González Velázquez, tras formarse en Roma, pintó la cúpula elíptica sobre la Santa Capilla, representando escenas de la construcción de la capilla y la Venida de la Virgen, así como figuras femeninas bíblicas en las pechinas. Su obra destaca por la influencia del estilo rococó.

A partir de 1772, se retomaron los trabajos decorativos con la intervención de Francisco de Goya, quien pintó la bóveda del Coreto con la Adoración del Nombre de Dios y más tarde la cúpula conocida como Regina Martirum. Sin embargo, su estilo libre no convenció al cabildo, lo que generó tensiones y lo apartó del proyecto. Francisco Bayeu, pintor de la Corte, decoró las bóvedas Regina Sanctorum Omnium y Regina Angelorum, mientras que su hermano Ramón completó otras tres cúpulas con las advocaciones Regina Virginum, Regina Patriarcharum y Regina Confessorum.

En la segunda mitad del siglo XIX, tras los daños de la Guerra de la Independencia, se continuó con la decoración de la cúpula mayor. Bernardino Montañés dirigió el proyecto, que incluyó pinturas de la Coronación de la Virgen, los mártires aragoneses, santos obispos y otras figuras religiosas, obra de destacados artistas aragoneses como Marcelino de Unceta, Francisco Lana, Mariano Pescador y León Abadías. Estos últimos también pintaron los evangelistas en las pechinas.

Ya en el siglo XX, Ramón Stolz completó parte de la decoración interior. En 1941 pintó la bóveda sobre el Coro Mayor con la Alegoría de la música y en 1955 la cúpula elíptica inmediata con la Alegoría del Rosario. También realizó dos frescos en los muros: el Milagro de Calanda y la Rendición de Granada.