L'affresco rappresenta l'episodio di Atalanta e Ippomene, scandendo i vari momenti della storia secondo il racconto ovidiano (Metamorfosi, X, 560-707): l'impianto iconografico è particolarmente debitore della stampa di Giovanni Antonio Rusconi, presente nell'edizione veneziana del 1553 delle Trasformationi di Ludovico Dolce, p. 223. In primo piano si svolge la corsa vittoriosa di Ippomene contro Atalanta: al centro della scena il giovane è raffigurato di profilo, le gambe ancora impegnate nella corsa con la destra salda sul terreno e la sinistra più arretrata con il tallone sollevato, le braccia e il busto protesi in avanti in direzione dell'arrivo, da cui lo separano solo pochi passi; giusta la fonte, i suoi tratti sono estramamente giovanili, indossa una veste celeste con cinturone, collare e spalline dorati, ai piedi dei sandali, il cui colore è interpretabile come oro. Atalanta, di profilo destro, si trova alla sua sinistra, spazialmente più avanzata verso lo spettatore rispetto alla figura di Ippomene, ed è raffigurata mentre si sta piegando in avanti per raccogliere con la mano destra l'ultima delle tre mele d'oro, stringendo al petto le altre con la mano sinistra: giovane donna, con i capelli biondi raccolti in una crocchia da cui sfuggono alcuni ciuffi, è ornata con degli orecchini di perla e indossa una camicia color zafferano con maniche corte a sbuffo e una gonna rosa antico lunga fino a metà polpaccio, che nel movimento si solleva rivelando parte della gamba sinistra e il piede, che Ovidio dice calzare sandali d'oro, mentre qui appare nudo; il piede destro è nascosto dalla cornice. Sulla destra dei due contendenti, parzialmente celati dall'obelisco marmoreo che segna il punto d'arrivo, sono schierati gli arcadi, pronti ad acclamare il vincitore: procedendo da sinistra, sono riconoscibili un soldato stante con lancia, scudo ed elmo; il volto con elmo di un altro fante, il cui corpo è però completamente celato dal soldato su cavallo roano alla sua sinistra, il quale, con l'elmo coronato da tre piume rosse sormontato da una corona dorata, è inteso a rappresentare il padre di Atalanta (Scheneo per Ovidio, Menelao secondo Euripide); seguono altri tre fanti armati di lancia, di cui si riconosce poco più degli elmi, l'ultimo con una piuma; e un altro cavaliere su cavallo roano simile al primo. L'intera scena ha per fondale la quinta ellittica del palazzo, che si declina in una balaustra con palle alle estremità, simile a quella che ricorre nello zoccolo della parete, e lascia uno spazio aperto alle spalle di Atalanta e Ippomene garaggianti, guidando l'occhio dello spettatore alla fase successiva della vicenda. Immersi in un paesaggio collinare, Atalanta e Ippomene stanno passeggiando lungo un sentiero fiancheggiato da elementi boschivi: si riconoscono in particolare cipressi e roverelle. Abbigliati come nella prima scena, salvo la ricca fascia che orna i capelli di Atalanta, i novelli sposi sono ritratti nel momento che precede l'atto oltraggioso, che determinerà la loro metamorfosi: Atalanta, con il tallone sinistro sollevato e il braccio destro teso in avanti in direzione del sentiero, sembra voler invitare Ippomene a procedere, ma questi, con un andamento opposto delle gambe, il braccio destro stretto a quello sinistro della moglie, la trattiene, rivolgendole uno sguardo di desiderio. Il tempio, dove consumeranno il loro amplesso, si leva su tre gradoni: è di forma circolare, con pareti murate scandite da lesene, doppio cornicione e cupola ribassata suddivisa in spicchi; verso lo spettatore si apre una grande apertura, da cui si intravvede nella penombra la statua colossale di Cibele, dea che secondo la tradizione fu artefice della metamorfosi dei due amanti in leoni