Η συλλογή με τις αποτοιχισμένες τοιχογραφίες του Μουσείου προέρχεται από μνημεία και ναούς της Θεσσαλονίκης και της ευρύτερης περιοχής της Μακεδονίας. Είναι περίπου 200 τμήματα κι εντάσσονται χρονολογικά από τη παλαιοχριστιανική περίοδο (4ος – 7ος αιώνας) μέχρι τη μεταβυζαντινή περίοδο και τους νεώτερους χρόνους (19ος – 20ος αιώνας). Οι περισσότερες (από την παλαιοχριστιανική περίοδο) έχουν πραγματοποιηθεί με την τεχνική της νωπογραφίας και οι μεταβυζαντινές και νεώτερες με την τεχνική της ξηρογραφίας.

Στο εργαστήριο συντήρησης τοιχογραφιών του Μουσείου πραγματοποιούνται εργασίες αποκατάστασης σε αποτοιχισμένα τμήματα τοιχογραφιών και η επανατοποθέτηση αυτών σε φορητό υποστήριγμα ώστε τελικά να μπορούν να εκτεθούν στις μόνιμες και περιοδικές εκθέσεις του μουσείου.

Το εργαστήριο επικεντρώνεται σε εργασίες που αφορούν στην καταγραφή και λεπτομερή αποτύπωση της κατάστασης διατήρησής των τοιχογραφιών, τη μικροσκοπική παρατήρηση και τεχνική ανάλυσή που αφορά τη τεκμηρίωση της τεχνολογίας κατασκευής και των δομικών υλικών και τη σύνταξη δελτίων συντήρησης. Σε τακτά διαστήματα διενεργείται έλεγχος για την προληπτική συντήρηση των εκτεθειμένων τοιχογραφιών στις αίθουσες και τις αποθήκες του Μουσείου. Επίσης συντάσσονται δελτία κατάστασης διατήρησης σε κάθε έργο που δανείζεται σε έκθεση στο εσωτερικό ή το εξωτερικό.

Όλες οι επεμβάσεις πραγματοποιούνται σύμφωνα με την τη σύγχρονη δεοντολογία, την επαγγελματική ηθική της συντήρησης, και τις διεθνείς συμβάσεις. Βασικός άξονας είναι η επιβράδυνση της φθοράς και η ελάχιστη δυνατή επέμβαση με σκοπό τη προστασία, μελέτη  και προβολή των τοιχογραφιών.

Το εργαστήριο προσανατολίζεται ακόμη στην έρευνα νέων μεθόδων και υλικών για τη συντήρηση αποτοιχισμένων τοιχογραφιών ιδιαίτερα για την εφαρμογή νέου τύπου υποστηριγμάτων που προσφέρουν μεγαλύτερη αντοχή και πιο ελαφριά κι ελαστική κατασκευή.
Στο πλαίσιο αυτό το εργαστήριο έχει αναπτύξει συνεργασία και με  άλλες Εφορείες Αρχαιοτήτων και Μουσεία.