С внешней стороны храм выглядел очень скромно, но поражал внутренним убранством. Поражал в первую очередь огромным пространством, где купол нависал подобно небесному своду и прекрасной освещенностью. Лишь при позднейших переделках заузили оконные проемы, что придало интерьеру некую мистическую таинственность. Впечатление необыкновенного пространства создавалось также за счет применения мозаики, покрытия всей поверхности купола, сводов и арок орнаментами, иконами и картинами на библейские темы на золотом фоне. 107 колонн из ценных пород камня поддерживали своды храма. Цифра эта имела магический смысл: каждая колонна несла имя христианского святого. Врата были изготовлены из кедрового дерева, с инкрустацией сюжетов из слоновой кости и янтаря. А центральные двери, по византийскому преданию, изготовлены были из остатков Ноева ковчега. Все священные богослужебные предметы (чаши и сосуды) были изготовлены из чистого золота, также зачаровывая своим блеском. В золотых переплетах были и книги Священного Писания.
Именно в Святой Софии на Божественной литургии оказались послы русского князя Владимира (X в.), которые, пораженные красотой службы, неземным величием и богатством храма, позднее рассказывали, что они не понимали, «пребывают они на земле или на небе».
Перед собором когда-то располагался огромный, обнесенный колоннадой, двор атриум, с фонтаном в центре, как это было свойственно раннехристианской архитектуре. Центральный вход в храм, называемый Огеа Porta, был с западной стороны, но использовался он лишь во время больших праздников, да и то только император и его свита имели право шествовать через него.
В обычные дни государь использовал специально обустроенный переход прямо из дворца, располагавшегося рядом.
Многие настенные росписи в храме были уничтожены сначала иконоборцами (729–843), но восстановлены в следующем веке. Большинство мозаики собора было уничтожено крестоносцами, вырубавшими священные образы из стен, а позднее мусульманами, приспосабливавшими храм к нуждам мечети. На их месте стены украшались повсеместно восточным орнаментом.
Среди сохранившихся мозаик необходимо отметить изображение Христа над царскими вратами, где Спаситель восседает на троне, а с двух сторон изображение Богоматери и архангела. У ног Иисуса припавший император. На южной стороне храма, в глубоких нишах, сохранились изображения нескольких святителей: Василия Великого, Григория Богослова, Николая Мирликийского и др. На северной стороне уцелело несколько изображений пророков. Сохранилось также изображение Богоматери с Младенцем, которое находится на арке храма с западной стороны. По сторонам Богоматери два апостола — Петр и Павел. В алтаре храма осталось лишь изображение ангела с крыльями, с державой в левой руке и скипетром в правой. На восточной арке сохранилось изображение Богоматери с Иоанном Предтечей и с портретным изображением императора Иоанна Палеолога.
На южной стороне храма расположен коридор со сводами, грозно называемый Вестибюлем воинов, где император оставлял оружие и свою охрану. Здесь на сводах сохранились следы золотой мозаики времен Юстиниана. Над дверью, ведущей в притвор, сохранилась мозаика X в. с изображением Богоматери, принимающей дары от двух императоров — Константина (город) и Юстиниана (храм). Можно увидеть немало сохранившихся интересных мозаик на галереях, особенно на верхних.
С трех сторон внутреннее пространство собора окружено хорами — галереями, перекрытыми арками. Во времена Юстиниана хоры предназначались для женской половины двора. На северной стороне расположен пологий пандус на хоры, по которому поднимали императрицу в паланкине. В центре западной галереи, напротив алтаря, откуда открывается великолепный вид на всю церковь, обозначено место кругом из зеленого мрамора, на котором стоял трон императрицы.
В 553 г. Святую Софию постигло несчастье: после крупного землетрясения обрушилась часть купола. После восстановления он был поднят на 9 м, потеряв во многом былую воздушность. Собор несколько раз страдал от землетрясений, но каждый раз восстанавливался. В 986 г. купол вновь обвалился. Этот вновь восстановленный купол и сохранился до наших дней.
Собор Святой Софии стал шедевром архитектурной мысли своего времени, служа кафедральным собором Вселенской патриархии. До постройки собора Святого Петра в Риме Святая София оставалась самым большим храмом христианского мира. Великолепие храма поражало современников, но никто не решался долгие века соперничать с этим сооружением.