L’elemento storicamente e artisticamente più prezioso del Tempietto sono sicuramente i 48 medaglioni presenti sulle facce dei pilastri e le raffigurazioni di Cristo e dei quattro evangelisti all’interno della cupola. Le campagne decorative dell’interno della chiesetta accompagnarono il lungo cantiere di costruzione dell’edificio e ne testimoniano le varie fasi. Gli stessi artigiani e artisti erano probabilmente impegnati contemporaneamente in altri progetti più grandi, come la decorazione della facciata della cattedrale di San Lorenzo nella stessa Lugano. Grazie alle date iscritte su alcuni dei tondi possiamo ricostruire la cronologia della realizzazione. La prima data, considerata come la fondazione del Tempietto, è il 1520; a questo periodo risalgono i primi medaglioni attribuiti alle due botteghe che presumibilmente presero parte alla prima fase di edificazione e decorazione. Ciò che caratterizza questi tondi è la ricorrenza di soggetti pagani e riferimenti alla mitologia classica, con intento metaforico e pedagogico.

Alla seconda data del 1542 si fa risalire la successiva stagione di decorazione dei pilastri interni alla chiesetta, che fu opera di una terza bottega di artigiani o comunque di artisti differenti rispetto a quelli che operarono vent’anni prima. L’utilizzo di decorazioni “grottesche” e gli intrecci tra forme vegetali, figure animali e antropomorfe, diviene pura maniera e traspare l’intento puramente decorativo.

L’ultima datazione rintracciabile, 1567, è posta sulla base del Cristo risorto posto al centro della cupola. Questa dovrebbe corrispondere alla conclusione definitiva dei lavori che si protrassero per 47 anni.

Nei primi studi effettuati sul Tempietto si ipotizzò che alcuni dei medaglioni, quelli di carattere esclusivamente decorativo, fossero stati realizzati nel XIX secolo per sostituirne alcuni persi o danneggiati nel trasporto da Lugano a Moncucco. In seguito ai restauri del 1994, la tesi più accreditata è che tutti i medaglioni siano originali risalenti al XVI secolo.