Die Kirche des Agios Panteleïmon (Ναός του Αγίου Παντελεήμονα), die in der Nähe von Rotunde und Galeriusbogen liegt, gehört zu jenen schwer zu identifizierenden Kirchen, deren heutiger Name erst aus neuerer Zeit stammt und somit wohl nicht die einstige Benennung angibt. Daher sind verschiedene Versuche festzustellen, die Kirche genauer zu bestimmen und sie beispielsweise „auf Grund historischer Forschungen (…) mit dem Kloster Theotókos Períbleptos“ gleichzusetzen, „das nach dem Mönchsnamen seines Gründers auch Kloster des Herrn Isaak hieß“. Dieser Mönch Isaak fungierte zwischen 1295 und 1315 unter dem Namen Iakobus sogar als Metropolit von Thessaloniki. Allerdings wird diese Annahme nicht von allen Forschern akzeptiert, u. a. weil einige Wissenschaftler dieses Kloster ins 12. Jh. datieren wollen.
Wie dem auch sei: Im 16. Jh. wurde der Bau in eine Moschee umgewandelt und trug fortan den Namen „Ishakiye Cami“. Danach wurde der Bau zu Beginn des 20. Jhs. wieder in eine christliche Kirche zurückgeführt und mit dem Namen Agios Panteleïmon versehen. Es handelt sich um „eine Kreuzkuppelkirche mit eingeschriebenem Kreuz und vorgelagertem Chorbereich, Narthex und dreiseitigem Umgang, der im Osten in zwei Kapellen endet“, wie die beiden Forscher E. Kourkoutidou-Nikolaïdou und A. Tourta beschreiben. Sie fügen noch hinzu, dass „die Hauptkuppel mit ihrem achtseitigen Tambour (...) auf Säulen und Kapitellen aus älteren Gebäuden“ ruht, wohingegen sich vom einstigen Umgang mit seinen kleineren Kuppeln im Osten nur die beiden die Mittelapsis ummantelnden Kapellen erhalten haben. Besonders herausragend ist im Osten der apsidiale Altarabschluss mit dem kostbar ausgeführten Drillingsfenster gebildet. Er betont somit die Mitte und bildet über niedriger Halbkuppel und anschließendem Tonnengewölbe die Überleitung zur Hauptkuppel.
Im Innenbereich der Kreuzkuppelkirche wurden Fragmente von Fresken freigelegt, zu der eine schöne, jedoch stark bestoßene Abbildung der Gottesmutter als Orans mit dem frontal abgebildeten Christusknaben vor ihrer Brust gehört. Sie ist als Betende mit erhobenen Händen und damit im Typus der Mittlerin wiedergegeben, welche die Bitten der hier Versammelten aufnimmt und sie zu Gottvater weiterträgt. Des Weiteren sind im Diakonikon einige bedeutende Heilige dargestellt, darunter Petros aus Alexandria, Eustathios aus Antiochia und Gregor aus Nyssa. Sie erscheinen „in ehrfurchtsvoller Haltung gegenüber Jakob, dem Bruder Jesu, der den Ehrenplatz einnimmt. Mit dieser Darstellung sollte wohl der Kirche von Jerusalem Ehre erwiesen werden, deren erster Bischof Jakob, der Bruder Jesu war, aber auch dem Heiligen selbst, dem Namenspatron des Kirchenstifters, des Metropoliten von Thessaloniki.“ Die Figurenbilder sind fein ausgearbeitet, zeigen eine deutliche Physiognomie und klare, im Gesichtsbereich fast individuell ausgearbeitete Züge sowie eine beeindruckende Farbgebung. Außerdem eine gewisse Monumentalität und eine Modellierung der Figurenkomposition, die an die Malweise des 13. Jhs. erinnert und diese geschickt „mit der Farbharmonie und der Typisierung der Gesichter in Werken des 14. Jhs.“ kombinieren, sodass die Figurenbilder wohl ins ausgehende erste Jahrzehnt des 14. Jhs. datiert werden können.
