Большую роль сыграло также применение местных строительных материалов. На Руси не было мрамора, и зодчие привезли с собой многочисленные капители, карнизы и другие мраморные детали. Но везти стволы крупных колонн было слишком сложно, и поэтому вместо принятых в Константинополе мраморных колонн поставили кирпичные столбы, что сразу же резко изменило характер интерьера. Карнизные плиты, парапеты, хор и полы, которые в Византии делали из мрамора, начали исполнять из местного сланца (так называемого красного шифера), имеющего красивый малиново-фиолетовый цвет и, видимо, напоминавшего византийским мастерам излюбленный в их стране пурпур. Кроме шиферных плит для убранства полов стали применять мозаику и поливные керамические плитки.
Собор сложен в византийской технике из чередующихся рядов камня и плинфы (широких, тонких кирпичей), снаружи кладка была покрыта раствором-цемянкой. Длина собора без галерей 29,5 метра, ширина — 29,3 метра. Высота до вершины главного купола 28,6 метра, величина стороны центрального подкупольного квадрата 7,6 метра.
Интерьер собора сохранил большое количество фресок и мозаик XI века, выполненных лучшими византийскими мастерами. Палитра мозаик насчитывает 177 оттенков, стиль соответствует византийскому искусству первой половины XI века, это так называемый аскетический стиль.
Мозаикой был украшен центральный купол, его барабан, паруса и подпружные арки, а также центральная апсида и два стоящих по бокам от нее восточных столпа. В зените купола в окружении четырех архангелов — хранителей трона Всевышнего — изображен Христос Вседержитель (Пантократор). Вокруг него представлены четыре архангела. Из них сохранился лишь один древний мозаичный, остальные дописаны в XIX веке М. А. Врубелем масляными красками.
В простенках между 12 окнами барабана помещены фигуры 12 апостолов (от XI века сохранилась только одна фигура апостола Павла). В парусах, поддерживающих купол, — евангелисты (среди них с древних времен сохранилась лишь фигура евангелиста Марка), на подпружных арках в медальонах — сорок мучеников Севастийских. На столбах триумфальной арки перед центральной апсидой изображалась сцена Благовещения: две фигуры — архангела Гавриила и Богоматери — умещаются на столбах. Мозаика была создана около 1040 года и является старейшим в русском искусстве изображением сцены Благовещения.
В центральной апсиде на ее верхней вогнутой поверхности — в конхе — предстает Богоматерь Оранта в молитвенной позе, с воздетыми вверх руками. Говорят, в старину эту Богородицу прозывали Большеголовой; у софийской Оранты действительно очень длинное, очень большое, сравнительно с телом, лицо. Еще ее звали Стеной Нерушимой, и каждый житель древнего Киева знал: пока Стена Нерушимая стоит, простерши в молитве за всех людей свои руки, сильные и напряженные, до тех пор и город будет стоять.
Ниже Оранты представлена сцена Евхаристии — Таинства Причащения хлебом и вином, претворенными в Тело и Кровь Христа. Еще ниже в простенках между окнами, над седалищами, где сидело во время службы духовенство, изображены стоящие в рост фигуры святителей и отцов Церкви. Живопись подкупольного пространства и апсид была выполнена в технике мозаики.
Все остальное украшено фресками. На сводах были не сохранившиеся до наших дней изображения двунадесятых праздников, соответствующих важнейшим моментам евангельской истории. На боковых стенах центрального пространства (на боковых аркадах) сохранились сцены Страстей Христовых и Его Воскресения, цикл заканчивался сценами послания апостолов на проповедь и сошествием на них Святого Духа. Фресками расписаны и боковые апсиды, где представлены циклы детства Богоматери (протоевангелие), деяния апостолов, житие святого Георгия, деяния архангела Михаила.
Многочисленные столпы собора и стены галерей покрыты образами святых. Своды и малые купола украшены изображениями небесных сил, в медальонах — поясные фигуры ангелов. В западной части подкупольного креста находилась ктиторская композиция. От нее сохранились лишь боковые части, а остальное изображение реконструируется по рисунку А. ван Вестерфельда, сделанному в 1651 году. По сторонам от Христа здесь были запечатлены равноапостолольные князь Владимир и княгиня Ольга, князь Ярослав Мудрый с макетом собора в руке и его супруга Ирина, а по бокам от них — сыновья и дочери.
Ряд светских росписей Софийского собора представляют собой портреты княжеской фамилии и сцены русского быта. На южной стороне центрального нефа изображены фигуры дочерей князя Ярослава, на стенах лестничных башен — эпизоды придворной жизни: цирковые представления, фигуры скоморохов, музыкантов, охота на волка, медведя, барса.