Diego Rivera diseñó una serie de 23 mosaicos que recubren los techos del Anahuacalli. Junto con su amigo, el arquitecto Juan O’Gorman, el pintor concibió una técnica propia para realizarlos. Consistía en colocar directamente sobre la cimbra de madera unos cartones con los bocetos dibujados. Sobre estos cartones y con una emulsión de cola se adherían los pedazos de piedra, siguiendo la imagen que el pintor había creado. Después, se completaba con la piedra de mortero para fijarla. Cuando todo esto secaba, se retiraba la cimbra y el cartón y se corregía la imagen.

Los mosaicos del Anahuacalli retratan la cosmovisión prehispánica y sus dualidades, en un trayecto que va de la oscuridad a la luz. Así, los de la planta baja del edificio están realizados en blanco y negro, mientras que los de las plantas superiores se componen de piedras de distintos colores traídas de Taxco. Estos últimos plafones fueron terminados por amigos y familiares de Diego Rivera.

Los diseños en los techos se pueden leer como un códice; en ellos se encuentra plasmada la cosmogonía que Diego Rivera quiso exponer en su templo-museo, en diálogo con el visitante y con el arte de su tiempo. Destacan elementos como la serpiente Quetzalcóatl, el jaguar y la rana, inspirados en las antiguas figuras de los documentos prehispánicos, pero a la vez actualizados según la visión del pintor.