Над интерьером главного храма столицы, возможно, работали создатели Десятинной церкви. Об этом свидетельствуют техника росписи и типичные строительные приемы. Монументальной внешней архитектуре Софийского собора отвечает торжественность отделки его помещений.
Внутреннее пространство храма разделено на поперечные и продольные нефы. На востоке каждый из них завершается полукруглым выступом-апсидой.
Центром композиции является освещенное пространство под главным куполом.
Тот, кто посещает храм впервые, сначала не видит ничего, кроме арочных просветов внешних и внутренних галерей. За рядами столбов царит полумрак, который усиливает впечатление от ослепительной красоты, залитого светом центрального пространства, богато украшенного мозаиками и многоцветной росписью. Контраст света и тени подчеркнут хорами, устроенными на крестчатых столбах.
Ряд массивных опор создает анфиладу тесных сумрачных помещений, а комнаты на хорах, напротив, светлы и просторны. Зодчий увеличил их размер путем объединения нескольких залов в один, покрыв куполами, опирающимися на оригинальный пучковый столб. В древности на хорах происходили церемонии «посажения на стол», здесь принимали послов и отмечали важные события в государстве и личной жизни правителя. Во время богослужений сюда поднимались князь, его семейство и высшая аристократия, оставляя простой народ внизу, у себя под ногами.
Несмотря на символичность архитектуры, идейный замысел собора полнее воплощен в художественном убранстве, точнее, в мозаиках и фресках, выполненных по лучшим образцам византийского искусства. В христианстве живопись рассматривалась как «Библия для неграмотных», отчего церковные росписи раскрывали сущность веры, наглядно представляя ее моральные принципы. Канонически воспроизведенные рисунки располагались в строгом порядке согласно небесной иерархии, символически повторявшей институт земной власти.
Мозаика была самым прочным и потому наиболее дорогим материалом отделки. Изображения из мелких кусочков смальты обычно помещались в сакральных местах собора: на стенах апсиды, на центральном куполе, его арках и парусах. Разноцветной мозаикой обрабатывали полы средней части храма, оставляя для фресок стены второстепенных помещений.
Центральный купол Софии Киевской украшен мозаичным панно сложного символического содержания. На 12 простенках барабана изначально помещались изображения апостолов. Из них до настоящего времени дошел лишь образ Павла, подобно тому как из 4 первоначальных евангелистов, написанных в парусах, уцелел только Марк. С медальонов подпружных арок на зрителя сморят 15 из 40 мучеников севастийских, подвигами и гибелью которых вдохновлялись русские в пору правления Ярослава.
Многоцветную композицию завершает торжественный образ Христа Вседержителя, или Пантократора, поясное изображение Бога, благословляющего правой рукой и держащего Евангелие в левой. Окруженная четырьмя архангелами его фигура парит на головокружительной высоте. Расположенные по соответствующим сторонам света бесплотные существа олицетворяют силы небесные. Цветовая композиция фрески удивляет гармоничностью. Светло-лиловые и красные оттенки хитона Христа как нельзя лучше смотрятся рядом с глубокими синими тонами плаща. У архангелов превосходно исполнены расшитые золотом голубые одежды.
Перед апсидой на сверкающем фоне расположена композиция «Благовещение». Слева от нее написана фигура архангела Гавриила, одетого в белый хитон и короткий плащ. Этот символический портрет считается одной из самых тонких по колористической гамме мозаик собора. Выполненная из мельчайших кубиков одежда вестника поражает разнообразием тональных переходов от белых до светло-зеленых и синих оттенков с мерцающими тенями. В древней живописи подобная палитра символизировала радость от получения вести о рождении Бога.
Справа от «Благовещения» располагается живописный образ Девы Марии. Богоматерь погружена в глубокую насыщенную цветовую гамму, где контрастируют два ярких цвета: синий и красный. Героиня стоит на подножии, держа в приподнятой руке пряжу, от которой тянется нить к веретену такого же пунцового цвета.
Над полукуполом центральной апсиды в медальонах на золотом фоне размещены мозаичные изображения Марии и Иоанна Предтечи, молящихся Христу. Расположенная поблизости композиция с условным названием «Деисус» удивляет высокой техникой исполнения.