L'abside è decorata con un ciclo di affreschi, attribuito a Giovanni Antonio Bellinzoni, composto da tre riquadri divisi da due pseudocolonne; nel riquadro di sinistra sono raffigurati nell'ordine Santa Mustiola, San Paolo e San Pietro, al centro è dipinta la Crocifissione con la Vergine, S. Giovanni e quattro angeli; nel riquadro di destra compaiono San Sebastiano, San Francesco ed il Beato Galeotto Malatesti.

Nell'arco che sovrasta l'abside è ancora leggibile un'iscrizione in caratteri gotici "A.D. MCCCCXXXIV Magister Marcus fecit" che fa riferimento al 1434, anno in cui presumibilmente furono terminati i lavori.

Le figure di Santa Mustiola e del Beato Galeotto Roberto Malatesti sono un evidente omaggio alla famiglia dei Malatesti che in quel tempo governava Rimini e Fano.

A fianco dell'abside sono stati recentemente riportati alla luce degli affreschi più tardi tra cui spicca la raffigurazione di S. Antonio da Padova.