Саме на початку ХХ ст., за пароха о. Степана Юрика, розпочалася чергова реконструкція давнього невеличкого мурованого храму, а відтак постало питання його внутрішнього оформлення.
Оздоблення церкви Св. Миколая в Золочеві – остання сакральна монументальна праця М. Сосенка. Тут він працював над стінописом та оновленням іконостаса. Хоча це замовлення художник дістав ще 1911 року, проте активно взятися до праці зміг щойно в 1913-му. Цей рік зафіксовано на кількох іконах в іконостасі, а також згадано в листах митця, де йдеться про виконання розписів церкви в Золочеві.
Загалом невеликий простір золочівської церкви зі специфічним перекриттям диктував М. Сосенкові абсолютно нову композиційну схему розписів, а зважаючи на свій попередній досвід, митець почувався впевненіше і міг творчо підійти до завдання, зосередившись на орнаментах. Так з’явилися нові мотиви, можливо, навіяні поїздкою до Києва навесні того-таки 1913 року; плетінки переросли у вигадливі рослинні композиції, які художник сповнив символічним змістом. Розписи покривають стіни і перекриття храму. На стінах – стилізований рослинний орнамент, виконаний у насиченій колористичній гамі у складній градації від холодного до теплого; він нагадує Дерево життя, в основі якого прочитується Серце, увінчане хрестом (символ Христової любові). Перекриття центрального об’єму також заповнене рослинним орнаментом, що немовби розвивається і склепінням переходить на вівтарну частину, а в нижньому регістрі й на межах між архітектурними елементами спиняється геометричними чи плетінчастими композиційними смугами. У святилищі, крім стриманих орнаментальних уставок, намальовано постаті ангелів у русі. У розписах хорів закомпоновано образ Богородиці-Оранти в полум’яному колі. Власне у стінописі церкви Св. Миколая в Золочеві художник намагався втілити ідею Божої любові як основу життя, – помічаємо її чи не в кожному орнаментальному мотиві. Крізь призму авторського творчого бачення, перепущеного через національні мотиви, він шукав вираження понадчасового й уселюдського, зрозумілого і близького для кожного.
Одночасно з розписом церкви виникла потреба оновити давній іконостас. Значних втрат зазнав, зокрема, живопис на царських вратах, тому М. Сосенко виконав нові образи євангелістів, а також заповнив орнаментальними композиціями чотири невеликі картуші: над дияконськими вратами і над двома іконами намісного ряду – св. свщмч Йосафата й апостола Андрія Первозванного, в образі якого проглядаються портретні риси митрополита Андрея Шептицького. Увівши ці парні зображення до програми іконостаса, М. Сосенко акцентував на важливості цих історичних постатей для унійної Церкви та на їхній провідній ролі в тогочасному суспільному і культурному житті вірян УГКЦ. Сама вівтарна перегородка має складну конструкцію без чітких традиційних ярусів. Пензлю митця належать і нові ікони з парними півпостатями вибраних святих із виразними портретними рисами: Кирила та Методія, Володимира й Ольги, Костянтина й Олени, Антонія та Теодосія Печерських. Дві овальні ікони «Благовіщення» та «Поклоніння ангелів», імовірно, початково було розміщено на стінах храму, а згодом долучено до іконостаса, де вони замінили образи св. свщмч Йосафата Кунцевича й апостола Андрія.
Церква Св. Миколая розділила тяжку долю багатьох сакральних споруд у радянській Україні. Розписи М. Сосенка, які зазнали серйозного пошкодження, реставровано наприкінці 1990-х років. А ікони митця, які вдалося врятувати від знищення в 1960-х роках, зберігаються (крім образу св. свщмч Йосафата) у Львові, у фондах Національного музею імені Андрея Шептицького та Музею історії релігії.