Киевская София в основании своем представляла именно квадрат, несколько удлиненный с восточной стороны пятью алтарными полукружиями, между которыми главное помещается, конечно, в средине. Но притворы, или портики, окружившие храм с трех других сторон, изменили его основной вид, давая преобладание ширине всего сооружения над его длиною. С западной стороны оно имело один притвор, или паперть (нартекс); а с северной и южной, кроме таковой же наружной паперти, были тройные внутренние портики. На колоннах и арках наружных портиков утверждена была открытая галерея, которая с трех сторон окружала верхнюю часть здания. Храм был увенчан тринадцатью сферическими верхами, или куполами: над серединой здания, на четырех основных арках возвышался главный, обширный купол; а по сторонам его располагались двенадцать малых куполов; они были обиты свинцом. Эта свинцовая кровля плотно облегала купола, арки и своды здания или так называемые комары и потому представляла не прямолинейные скаты, а игривые волнообразные линии, уступами понижавшиеся от срединного, или большого, купола. Кроме того, на западной стороне храма по бокам главной двери, но не в равном от нее расстоянии, возвышались две круглые башни, или вежи, и внутри каждой из них вокруг каменного столба извивалась спиральная лестница, ведущая на хоры, или полати, храма, а также на упомянутую выше открытую галерею.
Храм заключал в себе средний неф и по бокам его по три внутренних портика, полусветлых, обставленных массивными арками. На этих арках покоились хоры, или верхняя внутренняя галерея, обнимающая три стороны, северную, западную и южную. Эти хоры, или полати, имели то же назначение, как и в греческих храмах, то есть служили гинекеем, или женским отделением, — черта, заимствованная от греков с принятием христианской религии и храмового зодчества. Кроме того, на хорах помещались особые камеры или кладовые для хранения церковного и отчасти княжего имущества, а также соборной библиотеки и архива, то есть рукописных книг и грамот, договорных, дарственных, духовных и прочих.
Вся передняя половина главного нефа или его алтарная и предалтарная части были изукрашены роскошной мозаикой. Греческие храмы, а вместе с тем и русские, в то время еще не имели иконостасов, совершенно закрывающих алтарь от взоров молящихся. Алтарная преграда состояла из ряда мраморных колонок с перекладиной, или архитравом, наверху и мраморными плитами между колонками внизу. Эта невысокая преграда не препятствовала народу созерцать изображения алтарного свода; а когда бывала отдернута облегавшая ее завеса, то весь алтарь был видим молящимся. Отсюда понятно усердие к нему храмоздателя, не щадившего издержек на такое дорогое украшение, каким была на Руси греческая мозаика, или, по древнему нашему выражению, мусия; так назывались священные стенные изображения, составленные из мелких камешков, которые получались преимущественно из стеклянной разноцветной массы, разбитой на кусочки. Над горним местом, на самом полусводе алтаря, на золотом мозаичном же поле, возвышается величественное изображение Божией Матери, которой был посвящен этот алтарь и которая здесь олицетворяла собственно святую Софию, или премудрость Божию. Святая Дева представлена стоящею с воздетыми кверху руками, то есть в молитвенном положении; на ней голубой хитон, охваченный узким червленым поясом, из-за которого спущен белый убрус. Широкий золотистый покров осеняет ее голову, рамена и спускается на обе стороны до колен. Это художественное изображение, составляющее главное украшение Софийского храма, сохранилось в течение веков, посреди всех опустошений, постигших храм, и получило в народе название Нерушимой стены. Под нею во всю ширину алтарного полукружия идет мозаичное изображение Тайной вечери. Посередине над горним местом представлена священная трапеза с утвержденной на ней шатровой сенью. С каждой ее стороны Христос: обращенный ликом в правую (от зрителя) сторону, Он преподает чашу шести друг за другом стоящим апостолам; а обращенный в левую — преподает хлеб остальным шести апостолам. Далее внизу, под этим рядом апостолов, следует такой же мозаичный ряд святителей первых веков христианства, каковы: Николай, Григорий Богослов, Иоанн Златоуст, Климент, папа римский и другие. Их имена, как и все надписи киевософийских мозаик, начертаны темными мозаичными буквами на греческом языке. На уступе, который отделяет Нерушимую стену от верхней части алтарного полусвода, помещено в трех кругах поясное изображение Деисуса, то есть Спасителя, имеющего по правую сторону от себя Божию Матерь, а по левую — Предтечу. Предалтарная мозаика представляет, во-первых, Благовещение, разделенное на две части: на правой стороне алтарной арки Святая Дева с веретеном и клубком ниток в руках; а на левой — архангел Гавриил. Далее на четырех арках главного купола изображены сорок мучеников, по десяти на каждой; в четырех треугольниках (парусах), заключенных между дугами этих арок, четыре евангелиста; а в самом куполе помещено колоссальное изображение Спасителя, окруженное ангелами и апостолами; последние в простенках окон.