Τό καθολικό τῆς Μονῆς Βαρλαάμ εἶναι ἕνα τυπικό κομψό καθολικό ἁγιορειτικοῦ τύπου, μέ δικιόνιο σταυροειδή ἐγγεγραμμένο τόν κυρίως ναό, ὁ ὁποῖος ἀριστερά καί δεξιά φέρει τίς χαρακτηριστικές ἀθωνικές κόγχες, δηλαδή τούς χορούς. Τοῦ κυρίως ναοῦ προηγεῖται εὐρύχωρος ἐσωνάρθηκας (λιτή) μέ ὡραῖο τροῦλλο στό κέντρο του, ἀνάλογο μέ ἐκεῖνο τοῦ κυρίως ναοῦ, στηριζόμενο σέ τέσσερις πεσσούς.
Ὁ κυρίως ναός, ὅπως μαρτυρεῖ ἡ ἐπιγραφή του (στό νότιο τοῖχο), τοιχογραφήθηκε τό 1548. Δέν ἀναγράφεται τό ὄνομα τοῦ ζωγράφου, ὅμως ἡ τεχνική, τό χρῶμα, οἱ κινήσεις καί ἡ διάταξη τῶν μορφῶν καί τῶν σκηνῶν, καί γενικότερα τά τεχνοτροπικά χαρακτηριστικά τῶν τοιχογραφιῶν αὐτῶν, πού εἶναι ἴδια μέ ἐκεῖνα τῶν τοιχογραφιῶν τοῦ παρεκκλησίου τοῦ Ἁγίου Νικολάου στή Μονή τῆς Μεγίστης Λαύρας (στό Ἅγιον Ὄρος), τό ὁποῖο ἁγιογράφησε (σύμφωνα μέ τήν ἐπιγραφή του) στά 1560 ὁ Θηβαῖος ζωγράφος Φράγκος Κατελάνος, ἀποδίδουν μέ βεβαιότητα τήν ἁγιογράφηση τοῦ κυρίως ναοῦ τῆς Μονῆς Βαρλαάμ στόν ἴδιο διάσημο καλλιτέχνη. Στό Φράγκο Κατελάνο ἀποδίδεται ἐπίσης, μέ βάση τεχνοτροπικά πάλι κριτήρια, καί ἡ ἱστόρηση τοῦ καθολικοῦ τῆς Μονῆς τοῦ Ὁσίου Νικάνορα στή Ζάβορδα τῶν Γρεβενῶν.
Στόν τροῦλλο ἐπάνω εἰκονογραφεῖται ὁ Παντοκράτορας ὡς Δίκαιος Κριτής, στό τύμπανο ἡ τιμητική χορεία τῶν προφητῶν καί ἀγγέλων, στά σφαιρικά τρίγωνα οἱ τέσσερις εὐαγγελιστές, ἀπό τούς ὁποίους ὁ Λουκᾶς παριστάνεται νά «ἱστορεῖ» τήν εἰκόνα τῆς Θεοτόκου. Στίς δύο πλευρικές κόγχες, τούς χορούς, τοῦ κυρίως ναοῦ εἰκονίζονται ὁλόσωμοι στρατιωτικοί ἅγιοι, ἐνῶ οἱ ψηλότερες ἐπιφάνειες τῶν τοίχων εἶναι κατάγραφες μέ πολυπρόσωπες συνθέσεις, παρμένες ἀπό τή ζωή καί τό πάθος τοῦ Κυρίου καθώς καί ἀπό τό πάθος τοῦ Κυρίου καθώς καί ἀπό τό ἑορτολόγιο γενικότερα τῆς Ἐκκλησίας. Στό δυτικό τοῖχο, πάνω ἀπό τήν εἴσοδο, ἡ καθιερωμένη παράσταση τῆς Κοιμήσεως τῆς Θεοτόκου˙ στό κέντρο δεσπόζουν τό ἄψυχο σῶμα τῆς Παναγίας πάνω στή νεκρική κλίνη καί ὁ Χριστός πού κρατάει τρυφερά τήν ἀμόλυντη ψυχή τῆς πάναγνης μητέρας του˙ ἀριστερά καί δεξιά ἄγγελοι, οἱ ἀπόστολοι καί ἱεράρχες. Θαυμάσια ἡ ἀπόδοση καί μεμονωμένων μορφῶν ἁγίων, ὅπως τῶν γλυκύφθογγων μελωδῶν τῆς Ἐκκλησίας Ἰωάννη Δαμασκηνοῦ καί Κοσμᾶ τοῦ Μαϊουμᾶ.
Στούς ἀνατολικούς πεσσούς, στά πλάγια τοῦ τέμπλου, εἰκονίζονται ὁλόσωμοι ἀριστερά ἡ Παναγία καί δεξιά ὁ Χριστός, πού μέ τά χαρακτηριστικά καί πλούσια διακοσμημένα φωτοστέφανά τους θυμίζουν ἔντονα φορητές εἰκόνες, ὅπως συμβαίνει καί μέ ἄλλες μεμονωμένες μορφές ἁγίων καί ἀρχαγγέλων (Ἰω. Προδρόμου, Ἀρχαγγέλου Μιχαήλ κ.ἄ.). Στούς δυτικούς πεσσούς ἱστοροῦνται οἱ κτίτορες τῆς μονῆς μέ τή μοναχική τους περιβολή, γεμάτοι εὐλάβεια καί ταπείνωση, ἀριστερά κάτω ἀπό τήν Παναγία ὁ Θεοφάνης, κρατώντας, ὅπως συνηθίζεται, καί προσφέροντας περίτεχνο ὁμοίωμα τοῦ κτίσματός τους, καί δεξιά κάτω ἀπό τό Χριστό ὁ Νεκτάριος.
Στήν κόγχη τοῦ ἱεροῦ ἐντυπωσιάζει ἡ ἐπιβλητική παράσταση τῆς Πλατυτέρας τῶν Οὐρανῶν μέ τή λάμψη τοῦ χρυσοῦ καί τῶν ἄλλων χρωμάτων της καί τή γλυκύτητα στήν ἔκφραση τοῦ προσώπου της. Πιό κάτω ἡ γεμάτη ἱεροπρέπεια καί μυστική κατάνυξη παράσταση τῶν ἀγγέλων ὡς λειτουργῶν τοῦ Ὑψίστου.
Ἡ λαμπρή τοιχογράφηση τοῦ κυρίως ναοῦ τοῦ καθολικοῦ τῆς Μονῆς Βαρλαάμ ἔχει ὅλα τά χαρακτηριστικά τῆς εἰκονογραφίας τοῦ Φράγκου Κατελάνου, τήν ἀφηγηματική λεπτομέρεια καί ἀνάλυση τῶν ἱστορικῶν γεγονότων στίς εἰκονογραφούμενες συνθέσεις ἀπό τό ἕνα μέρος, καί τόν ἔντονο ρεαλισμό ἀπό τό ἄλλο, δάνειο ἴσως καί ἐπίδραση τῆς ἰταλικῆς τέχνης. Ὁ Φράγκος Κατελάνος δέν μπόρεσε βέβαια νά ἀποφύγει ἐντελῶς τήν ἐπίδραση τοῦ μεγάλου Κρητικοῦ ζωγράφου Θεοφάνη, ἀλλά, ὅπως παρατηρεῖ ὁ Ἀ. Ξυγγόπουλος, «τό ἔργον του θά ἠδύνατο νά χαρακτηρισθῇ ὡς μία ἀντίδρασις εἰς τόν γενικόν θαυμασμόν καί τήν, κατά τινα τρόπον, ὑποδούλωσιν εἰς τήν τέχνην τοῦ μεγάλου Κρητός καλλιτέχνου.
Δεκαοχτώ χρόνια μετά μετά τήν ἱστόρηση τοῦ κυρίως ναοῦ, στά 1566, σύμφωνα μέ τίς ἐπίσημες ἐπιγραφικές μαρτυρίες, τοιχογράφησαν τό νάρθηκα (λιτή)˙ τοῦ καθολικοῦ, μέ ἔξοδα τοῦ ἐπισκόπου Βελλᾶς Ἰωαννίνων Ἀντωνίου Ἀψαρᾶ, οἱ αὐτάδελφοι Θηβαῖοι ἁγιογράφοι, ὁ Γεώργιος ἱερέας καί σακελλάριος Θηβῶν καί ὁ Φράγκος. Οἱ δύο αὐτοί ἀδελφοί ζωγράφοι, ὅπως ἀποδεικνύουν οἱ κτιτορικές ἐπιγραφές ἐκκλησιῶν στά χωριά τῆς Ἠπείρου Κράψη καί Κληματιά ἤ Βελτσίτσα, ἔφεραν τό ἐπώνυμο Κονταρῆς. Τό ναό τοῦ Ἁγίου Νικολάου τῆς Κράψης ἁγιογράφησαν ἀπό κοινοῦ οἱ ἀδελφοί Κονταρῆδες στά 1563, ἐνῶ τό ναό τῆς Μεταμορφώσεως τοῦ Σωτῆρος τῆς Κληματιᾶς μόνος ὁ Φράγκος Κονταρῆς στά 1568.
Στήν κορυφή τοῦ τρούλλου τοῦ νάρθηκα κυριαρχεῖ ἡ παράσταση τοῦ Παντοκράτορα. Στόν ἀνατολικό τοῖχο ἡ πολυπρόσωπη σύνθεση τῆς Δευτέρας Παρουσίας μέ ὅλες τίς χαρακτηριστικές σκηνές τῆς ἀδέκαστης ἐκείνης Κρίσης. Στό δυτικό τοῖχο ἡ ἐντυπωσιακή ἀλληγορική παράσταση τοῦ ὅσιου ἀσκητῆ Σισώη, ὁ ὁποῖο θρηνεῖ πάνω ἀπό τόν ἀνοικτό τάφο μέ τό γυμνό σκελετό τοῦ ἔνδοξου στρατηλάτη καί κοσμοκατακτητῆ Μεγάλου Ἀλεξάνδρουμ συμβολίζει τή φιλοσοφίας τῆς ματαιότητας τῶν ἐγκοσμίων καί τήν ἀδυσώπητη καί ἀναπόφευκτη μοίρα τοῦ θανάτου γιά κάθε ἄνθρωπο ἀνεξαίρετα: «Πάντα ματαιότης τά ἀνθρώπινα ὅσα οὐχ ὑπάρχει μετά θάνατον˙ οὐ παραμένει ὁ πλοῦτος, οὐ συνοδεύει ἡ δόξα˙ ἐπελθών γάρ ὁ θάνατος, πάντα ταῦτα ἐξηφάνισται…».
Στό ἀνατολικό τμῆμα τοῦ νότιου τοίχου εἰκονίζονται πάνω ἀπό τόν τάφο τους οἱ ὅσιοι κτίτορες Νεκτάριος καί Θεοφάνης, κρατώντας ἀπό κοινοῦ ὁμοίωμα τοῦ ναοῦ˙ τά αὐστηρά ἀσκητικά χαρακτηριστικά καί ἡ ὑπερκόσμια γαλήνη τονίζονται ἰοδιαίτερα στίς ἐξαϋλωμένες μορφές τους. Στούς ἀνατολικούς πεσσούς, ἀριστερά ἡ Παναγία ἡ Μεσίτρια καί Προστάτις τῶν Χριστιανῶν καί δεξιά ὁ Χριστός. Ὅλες οἱ λοιπές ἐπιφάνειες τῶν τοίχων εἶναι κατάγραφες μέ σκηνές μαρτυρίων, ὁλόσωμους ἁγίους, ὅσιους ἀσκητές κ.ἄ.
Ἐπιγραφή πάνω ἀπό τήν τοιχογραφία τῆς Παναγίας στό νάρθηκα, ἀριστερά, μᾶς πληροφορεῖ ὅτι «ἐν ἔτει δέ Χριστοῦ ᾳψπ΄ [=1780] καί ᾳψπβ΄ [=1782] ἀνεκαινίσθη ἅπασα ἡ ἱστορία τοῦ ἁγίου βήματος τοῦ καθολικοῦ καί νάρθηκος τούτου διά συνδρομῆς καί δαπάνης τοῦ ταπεινοῦ ἐπισκόπου Σταγῶν Παρθενίου εἰς μνημόσυνον καί ψυχικήν αὐτοῦ σωτηρίαν». Πρόκειται γιά τό γνωστό λόγιο καί δραστήριο ἐπίσκοπο Σταγῶν Παρθένιο (Μάρτ. 1751 – + 26 Μαρτ. 1784), ὁ ὁποῖος ὑπῆρξε ἀδελφός τῆς μονῆς καί μεγάλος εὐεργέτης καί δωρητής. Μεταξύ τῶν ἄλλων δώρισε στή μονή καί τό ἀξιόλογο προσωπικό του ἀρχεῖο καθώς καί τή βιβλιοθήκη του. Μέ προσωπικά του ἔξοδα ἔκτισε τόν ἐξωνάρθηκα τοῦ καθολικοῦ, τόν ὁποῖο ἀποτελοῦσε στοά μέ καμάρες σέ διπλή σειρά, ὅπως ἀναφέρεται καί περιγράφεται στό στιχούργημα τοῦ ἱερομονάχου Γαβριήλ Ἁγιαμονίτη (1786). Ὁ ἐξωνάρθηκας αὐτός διατηρήθηκε, φαίνεται, ὥς τό 1857, ὁπότε, ὅπως ἔδειχνε ἐντοιχισμένη ἐπιγραφή, ἀνακαινίστηκε ἤ ἀνακτίστηκε στό ἴδιο σχέδιο, καί τελικά ἀντικαταστάθηκε ἀπό τό σημερινό ἐξωνάρθηκα μέ τόν ξενώνα στόν ἐπάνω ὄροφο, ἐπί μητροπολίτη Τρίκκης καί Σταγῶν Πολυκάρπου [Θωμᾶ] καί ἡγουμένου τῆς μονῆς Χριστοφόρου Μάη, ὅπως μαρτυρεῖ μαρμάρινη ἐντοιχισμένη πλάκα τοῦ ἔτους 1930.
Ἀξιοπρόσεκτο γιά τή λεπτή καί περίτεχνη ἐπεξεργασία του εἶναι τό ξυλόγλυπτο ἐπιχρυσωμένο τέμπλο τοῦ κυρίως ναοῦ τοῦ καθολικοῦ, καθώς καί ὁ ἡγουμενικός θρόνος καί τά δύο ἀναλόγια μέ πλούσια καί ὡραία διακόσμηση ἀπό φίλντισι˙ ἐπιγραφή στό ἕνα ἀπό αὐτά μᾶς πληροφορεῖ ὅτι κατασκευάστηκαν ἐπί ἐπισκόπου Σταγῶν Παϊσίου (τοῦ Κλεινοβίτη, 1784-1808) καί ἡγουμένου τῆς μονῆς Ἀνατολίου.