Viele Jahre waren die Malereien in Melverode unter dem Putz verborgen. 1877 wurde erstmals von entdeckten Wandmalereien berichtet. Von 1902 bis 1906 wurden Reste der ursprünglichen Wandmalerei im Chor und auch im Kirchenschiff freigelegt. An der Südwand fand man Szenen aus dem Leben von Jesus Christus, an der Nordwand Szenen aus der Legende des heiligen Nikolaus, dem Namenspatron der Kirche. Die Restaurierungen übernahm dann Adolf Quensen (1851-1911), der auch an Konservierungen des Braunschweiger Doms beteiligt war, wo das Himmlische Jerusalem in ähnlicher Form gezeigt wird. Unterstützt wurde Quensen von Baurat Hans Pfeifer (1849-1931), der später auch einen ersten Bericht über die Malereien verfasste.

In Braunschweig-Melverode fand man eine einmalige Methode: Teilweise wurden die alten Malereien an der Wand erhalten, und eine bemalte Tapete darüber gelegt, so dass man nun sowohl romanische als auch historistische Ausmalungen besitzt. Im Chorgewölbe fand man jedoch nur wenige Farbspuren auf Fragmenten, die man in das damalige Vaterländische Museum nach Braunschweig (heute Braunschweiger Landesmuseum) brachte, da das gesamte Gewölbe neu verputzt werden musste. Ob sich also bereits in der Romanik hier das Neue Jerusalem befand, wird wohl nie endgültig geklärt werden, zumal sich die Fragmente heute nicht mehr auffinden lassen.
Quensen entschied sich jedenfalls dafür, im Deckenbereich des Chores das Neue Jerusalem zu thematisieren. Dabei war die Vorlage an erster Stelle die berühmten Wandmalereien des romanischen Doms zu Gurk in Kärnten, die ja zur gleichen Zeit wie in Braunschweig-Melverode entstanden waren. Die Malereien in der St. Nikolai-Kirche unterscheiden sich in Komposition und Form nur in Nuancen von denen in Gurk; etwa indem in Melverode der Lebensstrom aus vier Turmtoren tief nach unten fließt, oder indem die Edelsteinbemalung auf der Stadtmauer weggelassen wurde. Die Farbgebung ist, wenn man den mehrfachen Restaurierungen in Melverode trauen darf, anders als in Gurk.

Hans Pfeifer: Die Kirche in Melverode und ihre Wandgemälde, in: Die Denkmalpflege, 8, 1906, S. 49-52.
Nils Mainausch: Zur Restaurierung der romanischen Wandmalereien in St. Nikolaus zu Melverode (Braunschweig) in den Jahren 1902-1905, in: ICOMOS, Hefte des Deutschen Nationalkomitees, 37, 2002, S. 218-226.
Hans-Henning Grote, Wolfgang Meibeyer, Ingrid Weiss: Kaiser Ottos IV. kleines Gotteshaus. Die St.-Nikolai-Kirche in Braunschweig-Melverode, Petersberg 2009.
Michael Gläser: Romanische Kirchen im Braunschweiger Land, Erfurt 2011.
Claus Bernet: Vorromanik, Ottonik, Romanik, Norderstedt 2015 (Meisterwerke des Himmlischen Jerusalem, 29).