In fondo alla navata destra si accede alla Cappella di Santa Lucia che, insieme al presbiterio e all’altra, dedicata ai santi Andrea e Bartolomeo, costituiscono il transetto della Basilica.

La cappella, di antica fondazione, venne ampliata nel XV secolo. Qui è custodito il maggior ciclo di affreschi del santuario. Mentre lavoravano agli affreschi nella Chiesa di San Salvatore, Giovanfrancesco D’Avanzarano e Giovanni Paolo di Francesco Falente da Roma, stimarono nel 1498 altre pitture da poco eseguite nella Cappella di Santa Lucia, opera del piemontese Domenico di Giovanni de’ Ferrariis da Mandovì, abitante nella vicina Grotte di Castro, affreschi che sostituirono la più antica decorazione trecentesca, come è evidente dalla parete di sinistra. Qui è un frammento di una più ampia composizione, raffigurante un Santo barbuto che presenta alla Vergine il committente; l’opera è attribuita al celebre pittore viterbese Matteo Giovannetti. Segue una delicata scena del Noli me tangere, di scuola umbra e, sovrapposto, un più tardo Sant’Antonio da Padova.

Sulla parete di fondo, in alto ai lati della finestra, è una Annunciazione e, più in basso sono raffigurati due episodi del Martirio di Santa Lucia.
Sulla destra sono dipinte tre grandi scene inerenti tre episodi dell’infanzia di Cristo: l’Adorazione dei Magi, la Natività e la Presentazione al Tempio.

Al di sotto è dipinta una teoria di santi, tra i quali sono riconoscibili: Biagio, Sebastiano, Benedetto, Bernardino e Lucia. Accanto all’ingresso, a destra, è ancora un affresco con la Vergine in trono tra le sante Lucia e Cristina. Tutta l’opera del De Ferrariis presenta caratteri arcaicizzanti, nella composizione e nella impostazione dei soggetti, fragilità nel disegno delle figure e scarsa conoscenza dei fenomeni culturali del tardo Quattrocento umbro e toscano.
Sull’altare è un pregevole busto ceramico, raffigurante Santa Lucia, opera di Benedetto Buglioni, residuo di un’immagine a figura intera. Accanto ad esso, sono due busti reliquiario in legno dorato, dei santi Apollonia e Giacomo Interciso, databili al XVIII secolo. Tutti gli affreschi della cappella sono stati riportati alla luce, sullo scorcio del XIX secolo da Rosalbo Rosa e restaurati nel 1963.

Una porta sulla parete di destra immette sulla casa parrocchiale, nella cui stanza di ingresso non accessibile ai visitatori, residuo dell’antica sede della Confraternita del SS. Sacramento, è un affresco ascrivibile al XV secolo che raffigura i Santi Leonardo di Noblac, Cristina, Giorgio e il devoto committente. Anche qui, come nella lunetta del portale dell’oratorio a lui dedicato, Leonardo è distinto dall’attributo iconografico dei ceppi per carcerati in ricordo della devota tradizione che attribuì al santo la prodigiosa liberazione di innumerevoli prigionieri, metafora del suo insegnamento che non prevedeva differenze, nell’ordine spirituale, tra servi e padroni, tra nobili e schiavi. Tutti, liberi e sottoposti, avevano il dovere di servire la gloria di Dio.
Purtroppo, negli anni cinquanta del XX secolo, nel corso della costruzione della canonica, andarono distrutti tutti gli altri affreschi che ornavano la cappella, così come vennero sepolti per sempre i ruderi dell’antico chiostro.