Богатейшее внутреннее убранство храма – предмет восхищения многих авторов. Один из них писал в начале XX века: «Рассказы всех очевидцев о внутреннем великолепии храма превосходят самое смелое воображение. Юстиниан был словно опьянен своим могуществом и богатством и изукрасил храм с баснословной расточительностью. Золото для сооружения престола было сочтено недостаточно драгоценным, и для этого употребили особый сплав из золота, серебра, толченого жемчуга и драгоценных камней и, кроме того, инкрустации из камней и медалей. Над престолом возвышался в виде башни балдахин, кровля которого из массивного золота покоилась на золотых и серебряных колоннах, украшенных инкрустацией из жемчугов и алмазов и, кроме того, лилиями, между которыми находились шары с крестами из массивного золота в 75 фунтов весом, равным образом осыпанные драгоценными камнями; из-под купола балдахина спускался голубь, изображавший Святого Духа, внутри этого голубя хранились святые дары. По греческому обычаю, престол был отделен от народа иконостасом, украшенным рельефными изображениями святых; иконостас поддерживали 12 золотых колонн. В алтарь вели трое ворот, задернутых завесами. Посреди церкви находился особый амвон, имевший полукруглую форму и окруженный балюстрадой, над ним тоже был балдахин из драгоценных металлов, покоившийся на восьми колоннах и увенчанный золотым, усыпанным драгоценными камнями и жемчугом крестом в 100 фунтов весом. На этот амвон вели мраморные ступени, перила их, равно как и балдахин, сверкали мрамором и золотом.
Сюда в большие праздники выходило духовенство, и здесь же возвышался императорский трон; вся священная утварь, чаши, сосуды, ковчежцы были из самого чистого золота и ослепляли сверканием драгоценных камней; книги Нового и Ветхого Завета, с их золотыми переплетами и застежками, весили каждая по две квинты. Из золота же были все священные принадлежности и предметы, необходимые в придворном церемониале, при короновании и прочих церемониях: семь крестов, каждый весом в одну квинту…
Врата были из слоновой кости, янтаря и кедрового дерева, а их косяки – из позолоченного серебра. В притворе находился яшмовый бассейн с извергавшими воду львами, а над ним возвышалась великолепная скиния. В дом Божий могли входить, только предварительно омыв ноги».
В праздники храм освещался серебряными паникадилами, лампами в виде кораблей, канделябрами в виде деревьев, «огни которых казались цветками», так что «сияющая ночь, улыбающаяся как день, получала краски розы», и церковь, все озаряя кругом, подобно грандиозному пожару, «возвещала мореплавателям близость столицы и славу Юстиниана».
Когда-то верхняя часть стен была покрыта мозаичными рисунками на религиозные темы, портретами императоров и патриархов. Мозаики, созданные при Юстиниане, были уничтожены в иконоборческий период (726–843). Сейчас мы можем только предполагать, что многие композиции носили чисто декоративный характер. На стенах храма, кроме того, были расположены медальоны с погрудными изображениями святых, замененные при иконоборцах крестами. В систему декора были включены и библейские сцены. При входе в храм хорошо сохранились три мозаичные фигуры – Мария с младенцем Иисусом, Константин Великий с макетом Константинополя и справа – Юстиниан, держащий в руках макет храма Св. Софии.
В XI веке к прежним мозаичным композициям, помещенным на стенах храма Св. Софии, прибавились новые изображения. Одним из первых было выполнено мозаичное панно, изображающее императрицу Зою и ее супруга императора Константина IX Мономаха. Облаченные в роскошные тяжелые одеяния, они стоят по сторонам от Иисуса Христа, предлагая ему свои дары: Константин подносит мешочек с золотыми монетами, предназначенными на содержание храма, а Зоя – свиток с текстом Евангелия, верность которому императорская семья подтверждает своей деятельностью. Золото фона, синий глубокий тон одежд Христа, яркая расцветка орнаментов императорских одеяний подчеркивают особое значение этой сцены.
Другая мозаика, созданная в первой половине XII века, изображает императора Иоанна II Комнина и его супругу Ирину, подносящих дары Богоматери. Иоанн держит в руках, как и Константин Мономах, мешочек с золотом, а Ирина, подобно Зое, – свиток. Портрет Иоанна, несмотря на то что многие кубики смальты выпали, отличается величественностью и выразительностью. Лицо императрицы выглядит бесстрастным, так как оно изображено, согласно моде того времени, покрытым толстым слоем косметики, брови – подбритыми, щеки – нарумяненными. Широкий овал лица выдает негреческое происхождение Ирины (она была венгерской принцессой).