In der Stoa Poikile auf der Athener Agora waren zu Zeiten des Pausanias vier Gemälde zu sehen. Welche davon aus der Hand Polygnots stammten, ist hingegen nicht eindeutig zu ermitteln. Sicher von Polygnot waren die Bilder der Einnahme Trojas und des Rats der Griechen über den Frevel des Aias gegen Kassandra, wie Plutarch überliefert. Laut Plutarch verewigte er in dem erstgenannten Bild Elpinike, mit deren Porträt er Laodike, die Tochter des Priamos, versah. Von dem Gemälde der Schlacht bei Marathon behauptet allein Aelian, es hätten Polygnot und Mikon geschaffen, während üblicherweise Mikon, meist mit Panainos, als Urheber genannt wird. Vielleicht besaß Polygnot aber auch die Aufsicht über die Arbeiten in der Poikile, denn Suda und Diogenes Laertios weisen ihm die ganze Ausschmückung zu. Im Anakeion, dem in Athen so bezeichneten Tempel der Dioskuren, war sein Gemälde des Raubes der Leukippiden bei der Hochzeit der Dioskuren zu sehen. Inwieweit Gemälde im athenischen Theseion von Polygnot stammten, ist nicht sicher zu erschließen; Pausanias schreibt sie Mikon zu. Die nicht näher bestimmbaren Werke Polygnots werden von Harpokration in einem „Thesauros“ verortet, eine Angabe, die man zu „Theseion“ korrigieren möchte.