Otros tres años, de 1511 a 1514, le ocupó a Rafael la siguiente estancia para el papa Julio II, llamada "Estancia de Heliodoro" por uno de sus cuatro murales, que representa la expulsión del general Heliodoro y sus tropas del Templo de Jerusalén, cuyo tesoro pensaban robar por orden del rey sirio Seleuco. Rafael realizó los primeros bocetos de esta estancia en el verano del año 1511, cuando aún no había concluido la de la Signatura. En este caso, la temática, vinculada con la intervención divina para la protección de la Iglesia, fue sugerida por el propio Julio II, muy preocupado por las derrotas contra los franceses y las constantes amenazas de ejércitos extranjeros en Italia. De hecho, el pontífice había prometido no afeitarse más la barba hasta que el país quedara liberado de los extranjeros, de ahí que en todas las escenas de esta estancia aparezca barbado.

Uno de los frescos, La liberación de San Pedro está considerado el nocturno pictórico más espectacular de todo el siglo XVI. El fresco sustituyó a uno pintado por Piero della Francesca en el XV, destruido para colocar el actual. No obstante, Rafael pudo homenajear en su mural a "El sueño de Constantino", otro fascinante nocturno pintado por Piero della Francesca para el templo de San Francisco en Arezzo.

La escena de La liberación de San Pedro de la cárcel mamertina se recoge en los Hechos de los Apóstoles. La composición es muy unitaria pese a la articulación de la pared en tres áreas. En el centro, la luz que emana del ángel que aparece ante San Pedro y las rejas de la celda generan una sorprendente profundidad espacial. La apariencia del santo, anciano y cansado, alude según algunos a la muerte de Julio II y según otros a la liberación de León X del cautiverio sufrido siendo cardenal tras la batalla de Rávena. A la derecha, el ángel saca al apóstol de prisión, en una atmósfera que oscila entre sueño y realidad, evocada también por los guardias que se quedan dormidos por la intercesión divina; a la izquierda, otros soldados descubren inquietos la fuga.

Hay cuatro tipos diferentes de luz en La liberación de San Pedro: la de la luna, que se refleja en la armadura de los soldados; la reverberante de las antorchas, que recuerda al "Sueño de Constantino" de Piero della Francesca, auténtico precedente de esta obra; la luz de la ventana de abajo (cerrada en la fotografía), que es una ventana real, y la citada luz del ángel, cuya enorme fuerza llega a alcanzar todos los elementos de la escena, incluidos los muros de la prisión, donde podemos observar unos destellos de tonos rojizos.

Por otro lado, al igual que "La Escuela de Atenas", la arquitectura del mencionado fresco de "La expulsión de Heliodoro del Templo de Jerusalén" (imagen inferior) posee un aliento bramantesco en perspectiva de marcada profundidad dramática, como escenario acorde con el dinamismo impetuoso de la acción situada a la derecha, con tres ángeles, uno sobre un brioso caballo blanco, enviados por Dios a petición del sacerdote Onías, que golpean y expulsan al invasor Heliodoro. A la izquierda, Julio II contempla la escena en una silla gestatoria transportada por Marcantonio Raimondi, grabador que divulgó las pinturas de Rafael por Europa, y el pintor Giulio Romano, discípulo de Rafael que, junto a Giovanni da Udine, colaboró en la ejecución del fresco. Algunos autores siguen considerando que el retratado no es Romano, sino el propio Rafael.

Otro espléndido retrato de Julio II se halla en "La misa de Bolsena", fresco que recrea la Eucaristía milagrosa celebrada en 1263 en la localidad italiana de Bolsena, la cual suscitó la fiesta del Corpus Christi instaurada por Urbano IV. Además de por Julio II el sacerdote celebrante es contemplado por un grupo de cardenales y curiosos, entre los que destaca por su bizarro colorido el grupo de guardias suizos arrodillados.

La cuarta escena, "San León deteniendo a Atila en las puertas de Roma" representa el encuentro de Atila y San León Magno ante las murallas de Roma, episodio que simboliza la victoria del papado tanto sobre el rey de los hunos como en las empresas bélicas del papa Della Rovere. Rafael incluyó el retrato de León X de Médicis, pues Julio II falleció antes de que el artista hubiera dado las últimas pinceladas a la obra en 1514.

Por último, mencionar los frescos de la bóveda, en cuyo centro se halla el escudo de armas de Julio II. Parte de la decoración es similar a la de la bóveda de la "Estancia de la Signatura", mientras que otras decoraciones son anteriores a la intervención de Rafael y suelen asignarse al pintor Baldassarre Peruzzi. Los cuatro episodios bíblicos de la bóveda -"La zarza ardiente", "El sacrificio de Isaac", "La aparición de Dios a Noé" y "La escalera de Jacob"- pertenecen a Rafael según Vasari, pero han sido también asignados a pintores como el citado Peruzzi, Giovan Francesco Penni, discípulo de Rafael, y más recientemente a Lorenzo Lotto.