Realizadas antes que las paredes, las pinturas de la bóveda no son obra de Rafael. Probablemente son obra de Guillaume de Marcillat pues presentan afinidades de estilo con las dos escenas referentes a la Justicia que pintó este discípulo de Rafael en la Estancia de la Signatura. Como en esta Estancia, los cuatro episodios ilustrados presentan una estrecha relación con las grandes escenas de las paredes: la Zarza ardiente testimonia la potencia de Dios, invisible como cuando Heliodoro es sacado del templo; la Escalera de Jacob aparece en sueños al joven hebreo, como el ángel a S. Pedro; la Aparición de Dios a Noé permitió salvar al mundo, así como la intervención celestial puso fin a la persecución emprendida por los Hunos; en fin, el Sacrificio de Isaac ilustra la fe ciega de la que dio prueba también el sacerdote de Bolsena.
Contrastan estas imágenes de pequeño formato con las magníficas pinturas de grandes figuras que decoran las paredes. En la decoración se extienden cuatro paños fingidos mostrando cada uno de ellos las escenas del Antiguo Testamento. Como hemos señalado más arriba, todas estas representaciones guardan relación con los frescos, pero, en ellas, tal vez se expresan también las esperanzas del papa para la familia de los Médicis, la cual, gracias al éxito de la política de Julio II, volvió a Florencia, donde pudo reconquistar el poder. Con ello, la bóveda de la Estancia de Heliodoro también sería un precedente de la decoración de Rafael en el segundo piso de las Logias, ya que allí también aparecen las mismas cuatro escenas.
Formalmente, Rafael se mide, en los cuatro frescos de la bóveda, entre otras cosas, con los frescos de Miguel Ángel en la Capilla Sixtina. Los cuatro episodios bíblicos realizados por el taller según los dibujos del maestro están tan abarrotada de citaciones literales de la Sixtina que es casi excesivo (Vasari).
