Esta basílica es la obra más significativa de la edad de oro del emperador Justiniano, tanto por las dimensiones y la riqueza que tiene como por el hecho de que fue edificada sobre los restos de un primitivo templo incendiado en una rebelión contra su poder. Su planta sigue el modelo paleocristiano: en primer lugar tenemos que atravesar un atrio de cinco pórticos en donde se encuentra un gran recipiente con agua bendita -fíala- para la purificación de los fieles. A través del nártex se puede acceder al recinto de la iglesia, de planta basilical, con tres naves y ábside interior semicircular. Este espacio está dividido en dos partes: la naos donde se colocaban los fieles, y la bema o presbiterio, para los clérigos. Ambas estancias están separadas por la iconostasis, reja o cancel que cerraban con velos en el momento de la consagración. Próximas al ábside encontramos dos salas: la prótesis, donde se guardaban las especies, y el diacónicon, donde se revestía el sacerdote.
La pobreza exterior del conjunto, construido con ladrillo, contrasta con el interior recubierto de mármoles y mosaicos de fondo dorado. La tensión longitudinal de la planta paleocristiana, marcada por las dos series de arcos superpuestos de las paredes laterales y las exedras, se contrapone con el estatismo de la cúpula centralizada, que simboliza la bóveda celeste. Los reflejos de los distintos puntos de luz sobre el oro consigue una transfiguración del espacio. El espectador, desde la semipenumbra inferior siente un equilibrio etéreo, como si la cúpula estuviera materialmente suspendida del espacio celestial, y pierde la visión de la estructura del conjunto.
Por otra parte, Santa Sofía no sólo era la gran catedral de la capital bizantina; también era la iglesia de la corte. El edificio estaba unido al palacio imperial y se usaba el matronium como lonja real en un claro simbolismo político-religioso.

Sobre el diseño basilical se superpone una planta centralizada de cruz griega, que sostiene una impresionante cúpula de 31 metros de diámetro y 55 de altura. Esta bóveda circular está inscrita en un gran cuadrado mediante cuatro pechinas que concentran las tensiones sobre cuatro pilares. Si la cúpula del panteón de Roma se apoya sobre un círculo de pilares que no admiten aberturas, esta innovación bizantina permite perforar las paredes de cierre con ventanas e idear un interesante sistema de contrafuertes. Dos semicúpulas transmiten el peso prácticamente hacia el suelo descargando progresivamente las tensiones laterales de este a oeste. En el eje norte-sur la fuerza es absorbida por cuatro inmensos contrafuertes dispuestos por parejas. Con todo, la cúpula se vino abajo al poco de ser construida. La nueva fue aligerada mediante un tambor cilíndrico con una serie de ventanas alrededor del gran casquete esférico, que ilumina el interior de la iglesia.

    "Santa Sofía, dedicada a la Segunda Persona de la Santísima Trinidad -como Sabiduría Divina- fue construida entre el 532 y el 537 por los arquitectos Artemio de Tralles e Isidoro de Mileto, bajo la directa vigilancia de Justiniano. De planta rectangular, se halla dominada por la gran cúpula central, de 31 m de diámetro y 55 m de altura, sobre pechinas. La parte inferior del casquete de la cúpula está horadada por una serie de ventanas que se sitúan entre los arcos de refuerzo dispuestos radialmente, de forma que la impresionante luminosidad de los vanos anula el efecto visual de los macizos y "parece que flota en el aire" (Procopio). De esta manera, se impone una estética basada en la valoración del espacio estático dominado por la cúpula frente al dinamismo de la basílica occidental, organizada conforme a un eje longitudinal de los pies a la cabecera del templo. Por la parte del ábside y el atrio se contrarrestan los grandes empujes de la cúpula mediante dos grandes exedras o cuartos de esfera, que a su vez lo están por otras más pequeñas, y a los lados por dos gruesos estribos unidos mediante riquísimas arquerías con columnas verde antiguo, pórfido rojo y mármol blanco.
    Para aligerar el peso de tan inmensa cubierta, se construyó con ánforas de arcilla de Rodas, de reducido peso específico, embutidas unas en otras formando círculos concéntricos. Pocos años después de construida, la majestuosa cúpula se desmoronó por efecto de un terremoto, pero se alzó de nuevo -con la misma técnica y traza, reforzando los apoyos laterales- en el 558 bajo la dirección de Isidoro el Joven, sobrino de Isidoro de Mileto(...) La sobrecogedora grandiosidad del espacio creado en Santa Sofía, como, en su tiempo, la riqueza cromática de sus altares, mosaicos y materiales, en los que la simbólica luz reverbera cual si "lo radiante viene desde dentro", justifican la exclamación de Justiniano al verla acabada: "¡Gloria a Dios que me ha juzgado digno de cumplir esta obra! ¡Te he vencido Salomón!"" (Azcárate, J.M.)