La cappella fu affrescata in tre fasi in un arco di tempo che va dal 1313 al 1318, il ciclo degli affreschi rappresenta le storie di Martino vescovo di Tours. Durante i lavori Martini poté confrontarsi con altri maestri fiorentini di scuola giottesca, Giotto compreso; da qui rinnovò alcuni elementi come il gioco di luci e ombre con attenzione alle vere fonti di luce, ma non si allontanò del tutto dal suo stile, mantenendo una sua unicità.

Simone Martini scelse dieci tra gli episodi salienti della vita di San Martino, quali: La divisione del mantello, Il sogno, L’investitura a cavaliere, La rinuncia alle armi, Il commiato da Sant’Ilario, La messa miracolosa, Il fanciullo risuscitato, Il miracolo del fuoco, La morte, Le esequie. Oltre alle dieci storie che decorano le pareti, sopra l’arco d’ingresso all’interno della cappella è raffigurata La dedicazione della cappella stessa, nella quale il cardinale Gentile è inginocchiato davanti al santo che si china verso di lui e tende una mano nel gesto di sollevarlo. L’affresco La divisione del mantello, nel quale Simone Martini ha rappresentato la scena culminante della storia del santo, quella che ne determinò il radicale cambiamento di vita, fu staccato nel 1958 per proteggerlo dai danni causati dall’umidità; al di sotto di questo fu rinvenuta la sinopia nella quale sono evidenti le successive rielaborazioni della scena e anche una maggiore plasticità delle figure rispetto a ciò che appare dalla pittura dell’affresco, che accentua maggiormente i valori lineari. Infatti nella pittura di Simone Martini, la linea rimane legata a una funzione plastica e non assume un valore decorativo. Questa differenza con gli autori dell’epoca è accentuata dal confronto inevitabile con gli affreschi presenti nella basilica di altri pittori più rappresentativi della pittura figurativa trecentesca fiorentina e senese. 

La “Madonna dell’Umiltà” situata nella lunetta sottostante, viene rappresentata con il capo piegato, rivolto verso suo figlio, come quasi a volerlo proteggere. Alla sua destra, vi è un angelo  che sorregge un drappo. Sul lato opposto invece, troviamo la scena di un angelo che rappresenta il donatore genuflesso alla Vergine, e quindi inginocchiato dinanzi ad essa.

Il “Cristo Benedicente tre Angeli”, definito così perché nell’opera presenta la mano destra nell’atto di fare ciò.  Domina al centro del timpano, sostenuto da colonne corinzie. Nella sua mano sinistra tiene con se il globo, mentre i sei angeli sono situati ai lati a gruppi di tre. Cristo mantiene un’espressione molto seria, tipica in alcune opere dell’epoca. 

Successivamente, nel 1343, un altro importante pittore italiano quale Matteo Giovannetti, fu chiamato da Papa Clemente VI per decorare il Palazzo dei Papi. All’interno del palazzo, furono erette due grandi ali che vennero definite come “palazzo nuovo”, e furono aggiunte due cappelle. 

Gli affreschi assumono un’importanza notevole soprattutto per la loro bellezza, caratterizzata dai colori ma principalmente per le raffigurazioni dettagliate dei personaggi. Clemente VI volle sottolineare con la maestosità di  questi affreschi, l’apostolicità romana di Pietro e la Basilica di San Giovanni in Laterano. La vita di San Marziale affrescata, ricordava che Cristo aveva chiesto in visione a San Pietro di affidare a San Marziale il compito di convertire le Gallie. Una delle più belle scene affrescate da Matteo Giovannetti illustra la concessione del pastorale da parte di San Pietro a San Marziale.