Berühmtheit hat San Vitale vor allem durch die Mosaiken im Altarraum erlangt. Die Mosaiken sind in neutestamentliche und alttestamentliche Themen aufgeteilt. Dabei verweisen die Szenen aus dem Alten Testament jeweils auf ein Ereignis des Neuen Testaments.

So weist das Lamm Abels beispielsweise auf das wahre Lamm „Jesu“ und Melchisedek, ein Priester in Salem, verweist auf die Eucharistie, da er Abraham Wein und Brot anbietet. Die Bewirtung der drei Männer durch Abraham wiederum symbolisiert die Dreifaltigkeit. Sarah und Abraham stehen für Maria und Josef, die Geburt Isaaks für die Geburt Jesu.

Über diesen Szenen erscheint in den durch die bogenförmigen Lunetten Bilder aus dem Leben Mose: Moses gibt dem Volk der Juden im Alten Testament die Gesetze, Jesus dagegen ist Gesetzgeber für alle Menschen.

Im Scheitel des Triumphbogens ist ein bärtiger Christus dargestellt, im inneren Bogen Büsten der Apostel.

Das Apsismosaik zeigt Christus mit Purpur-Gewand auf einer Weltkugel thronend. Diese Weltkugel liegt auf einem Hügel mit den Paradiesströmen. Der Weltenherrscher Jesu wird von zwei Engeln flankiert. Rechts außen steht Bischof Ecclesius, dem der Engel neben ihm ein Modell der Kirche überreicht. Links steht dagegen San Vitale, der von Christus eine Märtyrerkrone erhält.

An den Seitenwänden der Apsis sehen wir links Kaiser Justinian und rechts Kaiserin Theodora umgeben von ihrem Hofstaat. Justinian hält eine Hostienschale in den Händen. Er trägt ein mit Edelsteinen besetztes Diadem und einen purpurfarbenen Umhang, der von einer prachtvollen Scheibenfibel gehalten wird. Der Heiligenschein zeichnet Justinian als Kaiser aus. Neben dem Kaiser ist Bischof Maximian dargestellt, der die Kirche geweiht hat. Links erkennt man die kaiserliche Leibwache.

Auch Theodora ist durch einen Nimbus und prunkvolle Kleidung als Kaiserin gekennzeichnet. Sie trägt einen purpurnen Umhang und eine Haubenkrone, die ebenso mit Edelsteinen besetzt ist wie der breite Kragen. Die Kaiserin hält einen reich geschmückten Kelch der Eucharistie in den Händen.

Hierbei handelt es sich um reine Repräsentationsbilder, da weder Justinian noch Theodora jemals in Ravenna waren. Es sind jedoch die einzigen Darstellungen, die eindeutig diesem Kaiserpaar zugeschrieben werden können.