В пространство стены, ограниченное, как и в остальных случаях, полуциркульной аркой, художник вписал сложную и в то же время ясную композицию. В ее центре — Троица: Бог Отец, Христос и Святой Дух, спускающийся к стоящей на алтаре монстрации (разновидности дароносицы) с гостией (евхаристическим хлебом, пресуществившимся в плоть Христову). Это — та смысловая ось, на которую «нанизывается» все изображение, развиваясь затем по горизонтали. Рядом с Христом сидят Богоматерь и святой Иоанн Креститель, а на полукруглом облаке — праотцы, пророки, святые Петр, Павел, Иоанн Евангелист и другие. Внизу, по сторонам от алтаря со Святыми Дарами, о которых и идет диспут, представлена церковь земная, и здесь можно видеть отцов Римско-католической церкви, понтификов и других христиан, чья вера оставила след в истории.
Возможности, которые давала полукруглая форма стены, заданная архитектурой сводов, были замечательно использованы Рафаэлем. Круглящемуся ритму всей композиции вторят и облако с сидящими на нем праотцами и святыми, и сияние вокруг Христа, и золотые небеса, напоминающие расписанную конху апсиды, то есть ее внутренний свод. Недаром Рафаэль был и живописцем, и зодчим: фреска своим построением похожа на архитектурное сооружение и неотделима от помещения, в котором находится. В нижней части, на заднем плане, художник изобразил строящуюся церковь, напоминая о возводившемся тогда соборе Святого Петра, одним из главных архитекторов которого он станет несколько лет спустя.
Работая над «Афинской школой» — фреской на тему философии, Рафаэль изобразил фантастический храм, главный неф которого уходит в голубую даль рядом сводчатых арок, и поместил в его пространство древних философов и ученых. В центре изображены Платон, указывающий на небо, которое, как он считал, определяет всю человеческую жизнь, и Аристотель, простерший руку над землей. Левее, активно жестикулируя, что-то объясняет ученикам Сократ с крутым, упрямым лбом, ниже Пифагор пишет в книге, куда с любопытством смотрят сидящие вокруг него, Гераклит Эфесский застыл с пером в руке, погруженный в свои размышления, Диоген возлежит в непринужденной позе на мраморных ступенях, справа, нагнувшись к табличке, пишет свои формулы Архимед, позади него беседуют Страбон и Клавдий Птолемей. В последней группе Рафаэль изобразил древнегреческого живописца Апеллеса в темной шапочке, смотрящим на зрителя, придав ему собственные черты.
На этой фреске можно найти и другие портреты современников художника: Платон напоминает Леонардо да Винчи, а Гераклит — Микеланджело, причем они написаны в манере каждого из этих мастеров. Фигура первого гармонична, как и картины да Винчи, она уравновешенна и заключена в невидимый овал, а лицо выражает спокойствие. Второй сидит в сложной, «закрученной» позе, в нем чувствуется горение беспокойной мысли, его облик отсылает воображение зрителя к огромной фреске, которую тогда в Сикстинской капелле создавал Микеланджело: эта фигура напоминает пророков с плафона. Таким образом, Рафаэль словно подмигнул своему вечному сопернику, лишний раз подчеркнув, насколько сильно мировое братство художников.
Несмотря на обилие персонажей, к тому же разбитых на группы, «Афинская школа» производит впечатление единства изображенного. Рафаэль чередует статичные и динамичные позы, вся композиция идет по кругу, ее замыкает светлая, стройная архитектура, наполненная воздухом. Но «любители мудрости» объединены и общим настроением: все они, каждый по-своему, ищут истину, которая должна торжествовать в человеческой жизни так же, как легкие своды храма философии и голубое небо возвышаются над головами мыслителей.
