Собор Святой Софии имел композицию устремляющейся ввысь пирамиды, которая с того времени стала широко применяться в древнерусском зодчестве. Масса здания постепенно нарастала к центру, достигая своей кульминации в грандиозном центральном куполе, венчающем плавные сочленения сложной конструкции. На вид храм обладал массивностью, даже излишней тяжеловесностью форм, как и все византийское зодчество, где намеренно отдавалось предпочтение внутреннему великолепию убранства.
С трех сторон храм опоясывал двойной ряд открытых галерей, проемы которых впоследствии были заложены. Нефы собора заканчивались на востоке пятью алтарными апсидами, единственно оставшимися сегодня не искаженными позднейшими пристройками. Центральный купол возвышался в окружении четырех меньших, а восемь оставшихся куполов расположились по углам собора. Барабаны куполов и апсиды имели изысканную гранёную форму. Размеры грандиозного собора составляли без галерей приблизительно 29 х 29 м, а с галереями 41 х 54 м. Высота главного купола достигала 28 м. А вмещал храм до 3 тыс. человек, почти большую часть взрослого населения тогдашнего Киева. Стены древнего собора не белились, а ряды тонкого кирпича — плинфы, чередовавшегося с полосками раствора — розоватой цемянки[53]
, придавали ему нарядный и торжественный вид. Сегодня отдельные участки древней кладки демонстрируются посетителям на наружных стенах апсид собора.Входящего в храм прежде всего поражало огромное подкупольное пространство, алтарная арка с подавляющим величием центральной апсиды и таинственный полусумрак, царящий в боковых нефах. Но более всего завораживало обилие многоцветных мозаик и фресок, блистающих в потоках света, ниспадающего сверху. Ими были покрыты все стены и своды собора, красочно донося до зрителя основные евангельские сюжеты. А на своде центральной апсиды возвышалось шестиметровое мозаичное изображение Богоматери Оранты, с тревогой взирающей на мир и прозванной современниками «Нерушимой Стеной» по стиху из акафиста Пресвятой Богородице: «Радуйся, Царствия Нерушимая Стено». Застывшая в молитве Богоматерь стала высоким духовным символом Небесной Заступницы за родное Отечество. Она стала олицетворением и высокой нравственной силы самого христианства, служащего высоким национальным идеям. Поэтому киевляне утвердились во мнении, доколе будет стоять Оранта, будет стоять и наш великий град — «матерь городов русских».
Мозаичное искусство применялось в наиболее значимых участках храма, оно имело свою сакральность, выделяя тем самым важные доминанты церковной символики. Сдержанная палитра мозаик, насчитывающая более 170 оттенков, хоть и блистающих на золотом фоне, символизирующем пространство горнего мира, тонко подчеркивала изысканными художественными средствами торжественность и величавость представленных образов. Мозаикой был украшен центральный купол, центральная апсида и два стоящих по бокам от неё алтарных столпа. Под куполом словно парило мозаичное изображение Христа Вседержителя (Пантократора), а вокруг него располагались четыре архангела. Причем из них сохранился лишь один, а остальные были дописаны в XIX в. известным художником М.А. Врубелем масляными красками. Мозаики занимали более 650 кв. м площадей стен собора, из которых дошло до нас около трети.
Все пространство стен собора, столбов, сводов, не украшенных мозаикой, были расписаны фресками, составлявшими неповторимое единство с архитектурными формами. Евангельские сюжеты, изображения апостолов и многочисленных святых украшали интерьер собора, донося до верующих основные идеи христианства. Многие лица исполнены духовной непреклонности и суровости, подчеркивающей основные нравственные постулаты того времени. Художественный стиль изображений соответствовал византийскому искусству первой половины XI в. Судя по славянским чертам лиц, в росписях, несомненно, принимали участие и русские художники. В западной части находилась композиция ктитора храма, т. е. основателя, не дошедшая до нас в полной мере. Сохранились лишь ее боковые изображения, а большая часть представляется по сохранившемуся рисунку А. ван Вестерфельда, сделанного им в 1651 г. По обеим сторонам Христа были изображения равноапостольных князя Владимира и княгини Ольги, великого князя киевского Ярослава Мудрого с макетом возведенного им собора в руке и его супруги Ирины, с сыновьями и дочерями. Фрески украшают и колокольню собора, с изображениями сцены игр, организованных в Константинополе императором Константином Порфироге-нетом в честь княгини Ольги. На фресках изображения жонглеров, музыкантов, танцоров, захватывающие гонки на колесницах и пр. Всего до нас дошло около 3 тыс. кв. м уникальных фресок. Вряд ли в Европе сохранилось в одном месте такое количество средневековых росписей и мозаик периода XI в.