За свою почти тысячелетнюю историю Софийский собор неоднократно разрушался, восстанавливался, подвергаясь коренной перестройке. Конечно, современный вид храма не соответствует первоначальному, времен Ярослава Мудрого. Изначально собор представлял собой пятинефное прямоугольное в плане здание (55 на 37 метров) с двенадцатью крестовидными столбами. Собор был увенчан тринадцатью куполами (ныне у храма 19 куполов), символизировавшими двенадцать апостолов и Христа, главный купол был расположен в центре храма, четыре — над алтарной частью и восемь — над западными углами здания. С трех сторон собор был окружен двумя рядами галерей, имевших вид «гульбища» — открытого балкона. На втором этаже располагались «полати», предназначавшиеся для князя, членов его семьи и знатных горожан.
Стены Софийского собора выкладывались из крупных гранитных блоков, заливавшихся «цемянкой» — известковым раствором с добавлением толченого кирпича. Ряды крупных камней отделывались «плинфой» — оранжево-розовым широким и плоским кирпичом толщиной от 2,5 до 4 см. Наружная кладка оставалась открытой, фасады здания не штукатурились. Для кровли собора строители использовали свинцовые листы, которые укладывались на каменные своды и купола.
Стены, своды и столбы Софийского собора, словно тонкая вышивка, украшали великолепнейшие фрески. Можно с уверенностью сказать, что подобной красоты Киевская Русь еще не видела. Фресковая роспись Софийского собора занимала около 5 тысяч м2, из них 2 тысячи уцелели в оригинале до наших дней. Долгое время считалось, что расписывали храм исключительно византийские мастера. Однако анализ художественной манеры и техники росписи позволил ученым сделать вывод, что фрески Софии Киевской создавались как приглашенными из Константинополя художниками, так и русскими мастерами.
Интересно, что среди фресок Софии с ликами святых и эпизодами из библейской жизни встречаются изображения на светские темы, например сцены охоты, торжественных выездов князя со свитой к народу и даже цирковых представлений.
А вот более поздние изображения XVII–XVIII веков посвящены исключительно церковной тематике.
Естественно, что неоднократные пожары, набеги орд кочевников и прочие беды пагубно сказались на фресковой росписи. Первые попытки реставрации древнерусских фресок были предприняты в 1643–1647 годах. С благословения митрополита Петра Могилы и под руководством итальянского архитектора Октавиано Манчини часть настенной живописи была обновлена. Там же, где фрески были полностью утрачены, мастера дописывали их, исходя уже из своих художественных представлений. В это же время фасады Софийского собора были украшены богатой лепкой. На рубеже XVII–XVIII веков Софийский собор был полностью побелен изнутри, а позже на побелку была нанесена новая масляная роспись.
До 1843 года фрески XI века считались почти полностью утраченными. Обнаружены они были практически случайно — в одном из приделов собора отвалился кусок штукатурки, под которым заметили древнюю роспись. Казалось бы, это была невероятная удача, вряд ли стоит говорить о том, какое культурно-историческое значение имела роспись XI века, за созданием которой наблюдал Ярослав Мудрый и первые Киевские митрополиты. Некоторые изображения настолько хорошо сохранились под слоем более поздних росписей и штукатурки, что казалось, достаточно аккуратно снять наслоения — и миру будут явлены бесценнейшие произведения искусства. Но реставрационные работы производились так безалаберно, словно имели своей целью не восстановить, а уничтожить древние фрески. Нанятые для соскабливания наслоений рабочие не имели представления не то что о научной реставрации, а о живописи вообще. Уникальные фрески не имели никаких шансов сохраниться под неумелыми руками и острыми железными скребками. Работы были пущены на самотек, рабочим, нанятым поденно, было сказано очистить стены и своды храма «от сих до сих», и они это сделали, абсолютно не заботясь о сохранности росписи. До сих пор на стенах Софийского собора видны многочисленные сколы и потертости. Но на этом беды фресок не закончились. Кому-то пришло в голову, что вскрытая древняя роспись не соответствует «представлениям о благолепии храма», и ее вновь прописали маслом! Только с середины 1930-х годов была начата серьезная научная реставрация стенописи Софийского собора. Кропотливейшая работа реставраторов, продолжавшаяся более пятидесяти лет, наконец-то позволила увидеть подлинные шедевры древнерусского искусства.
Издавна среди киевлян бытовало поверье: «Пока стоит Оранта, до тех пор будет стоять и Киев». Мария-Оранта — одно из самых монументальных и грандиозных мозаичных изображений в истории архитектуры. Фигура Богоматери в молитвенной позе считалась покровительницей Киева, оберегающей город от злых сил. В народе Оранту называли «Нерушимой стеной», благодаря которой крепостные стены недоступны врагам. Высота фигуры, выложенной из мелких кубиков смальты, достигает 6 метров, а головы — 0,9 м. Количество колористических оттенков в изображении достигает 177.