Mimořádně hodnotná umělecká výzdoba kaple vznikla zásluhou světoznámého ruského umělce Ivana Jakovleviče Bilibina, který v tu dobu žil v exilu v Paříži. Vynikající grafik a autor nádherných ilustrací k ruským pohádkám, které obdivoval i jeho český kolega Mikoláš Aleš, ochotně přijal nabídku vytvořit návrhy mozaik a freskových maleb pro pražskou kapli. V létě roku 1927 se na východním průčelí kaple objevila první mozaika archanděla Michaela, zhotovená v pražské mozaikářské dílně Marie Foerstrové podle Bilibinova návrhu. O rok později byla nad hlavním vchodem instalována rozměrná mozaika Znamení přesvaté Bohorodice.
Práce na návrzích fresek pro pražskou kapli se z různých důvodů protáhla téměř o deset let. Bilibin zřejmě dokončil zakázku krátce před svým návratem do Sovětského svazu na podzim roku 1936. Výsledek však nepochybně stál za dlouhá léta čekání. Vynikající odborník na historickou stylizaci kreativně přepracoval tradiční pravoslavnou ikonografii a fresky doplnil zcela nečekanými detaily. Například na místě, kde obvykle v scéně Posledního soudu byli zobrazováni mrtví, kteří sami vystupují z hrobů, najednou se objevuje královna podsvětí a mořský král sedící na pohádkové rybě. Ryba se navíc snaží sníst snítku petržele, tradičního pohanského symbolu podsvětí v rukou královny.
Bilibinovy návrhy nástěnních maleb se podařilo realizovat až během druhé světové války. Může se to zdát neuvěřitelné, ale s vytvářením maleb začalo v létě roku 1941, kdy Praha byla okupována Němci, Československo přestalo existovat jako samostatný stát a německá vojska postupovala na Moskvu. Tým umělců z řad ruských emigrantů vedla Tatjana Kosinskaja. Převážnou část maleb provedli Andrej Rjazanov a Rostislav Korjakin za spolupráce Michaila Romberga, Ilji Šapova a Václava Hartmana. Ruský emigrant a zároveň absolvent pražské akademie výtvarných umění Konstantin Pjaskovskij namaloval podle návrhu Bilibina obrovskou fresku Posledního soudu, která zabírá celou západní stěnu kaple. Zhruba ve stejnou dobu světoznámý ruský umělec Ivan Bilibin zemřel hladem v obleženém Leningradě.