Уже в этом преддверии намечены основные художественно-архитектурные темы, которые получают развитие в главном помещении. Сочетание простых прямоугольных форм с дугами арок крестовых сводов, многократно повторенное в нартексе, как бы предваряет симфонию сочетаний кубических форм с полусферами куполов, созданную строителями в центральном нефе.
Огромный зал представляет собой прямоугольник размерами 77 на 71,7 метров, над центральной частью которого возвышается полусферический купол диаметром в 31,5 метров. С востока и запада к куполу примыкают два полукупола. Таким образом, весь центральный неф, заканчивающийся полукруглой внутри и многогранной снаружи апсидой, имеет купольное перекрытие.
Боковые, более узкие нефы отделены от главного стенами, завершающимися вверху мощными арками. Проходы из среднего нефа в боковые осуществляются через пролеты между колоннами, несущими аркады. В стенах главного нефа, над хорами, находящимися во втором ярусе, — множество окон, дающих дополнительное освещение.
Полусферический купол над центральным квадратом покоится на четырех парусах, образованных арками, опирающимися на четыре огромных столба. Пространство между столбами заполняют тонкие стены с высокими тройными арками. С востока и запада сила распора купола сдерживается полукуполами, каждый из которых в свою очередь имеет маленькие полукупола. С севера и юга арки, встроенные в стены и слишком слабые для противодействия силе распора купола, укреплены внутренними контрфорсами, поставленными между стенами главного нефа и наружными стенами здания. По принятому византийскими зодчими обычаю контрфорсы не выносились за пределы наружных стен.
В нижнем этаже боковые нефы перекрыты полуцилиндрическими сводами, во втором — полусферическими. Вся сложная система сводов, включающая в себя множество составных частей, куполов, разгрузочных арок, полностью скрыта от взоров зрителя.
По архитектуре церковь Софии представляет собой купольную базилику — тип здания, подготовленный всем предшествующим развитием византийской архитектуры. В таком гигантском масштабе проблема купольного перекрытия на квадратном основании была разрешена архитекторами впервые. Степень удачи этого решения особенно отчетливо видна при сравнении Софии с находящейся поблизости церковью Ирины. Построенная в 532 г. церковь Ирины имеет форму вытянутого прямоугольника. Широкий центральный неф, завершающийся, как в Софии, одной апсидой, венчают два купола. Боковые нефы перекрыты крестовыми сводами: восточный купол — полусферический, западный — яйцевидный. Здание лишено гармонии, простоты и ясности художественного замысла, присущих церкви Софии. Константинопольская София синтезировала две ранее обозначившиеся линии развития византийской архитектуры — базиликальную и центрическую.
Атриум и нартекс, объединяющий боковые нефы, аркады и колоннады, характерны для зданий базиликального плана. Выделение же внутреннего квадрата, перекрытого огромным куполом, как центра всего сооружения, и слегка намеченные, благодаря пролетам аркад, ведущих в боковые нефы, ветви креста связывают Софию со зданиями центрического типа.
Конструктивная схема Софии не имела повторений. Однако ее основная идея (сочетание базилики с центрическим зданием, перекрытым куполом) явилась чрезвычайно плодотворной для дальнейших судеб византийской архитектуры. Именно из купольной базилики, распространенной в Византии в VI–IX вв., развился крестовокупольный храм позднейшего времени.
Наряду со смелостью архитектурного замысла, церковь Софии поражает богатством внутреннего оформления. Ее многоцветные колонны, выполненные из белого проконесского мрамора, светлозеленого эвбейского, красного и белого карийского, египетского и желтого нумидийского порфира были украшены резными капителями. Мраморные полихромные инкрустации на стенах предоставляли сравнительно мало места для мозаичной живописи. Остатки первоначальной росписи Софии, обнаруженные в нартексе, позволяют составить впечатление о творческом облике византийских художников VI в. Значительную роль в интерьере храма играли и произведения ювелирного искусства. Амвон, воспетый поэтом VI в. Павлом Силенциарием, — превосходный образец мастерства ювелиров и камнерезов.