聖索菲亞大教堂是集中式的，東西長77米，南北長71.7米，主要部分是一個碩大無朋的半圓穹頂，頂高15米，教堂正中的直徑為32.6米，共有40個肋，通過帆拱架在四個7.6米寬的墩子上。中央穹頂的側推力在東西兩麵由半個穹頂扣在大券上抵擋，它們的側推力又各由斜角上兩個更小的半穹頂和東、西兩端的各兩個墩子抵擋。這兩個小半穹頂的力又傳到兩側更矮的拱頂上去。
這座偉大的穹頂是用磚砌成的，而不是像萬神廟一樣用混凝土。這是因為配製羅馬混凝土的特別的火山灰在小亞細亞難以得到，用當地材料配製成的混凝土質量很差，隻能用以構築簡單的小穹頂。相反，小亞細亞和中東地區自古就有用磚砌拱的傳統——拱券技術正是由這一地區傳到意大利的，因而，早在羅馬帝國時期，廉價的磚就已成為帝國東部地區混凝土材料的代用品。與混凝土澆築的萬神廟穹頂相比，聖索非亞大教堂的磚砌穹頂要薄得多，但仍有很大的重量，在穹頂底部會產生很大的側推力。萬神廟是用厚重的實牆來抵消這個力並同時承受穹頂重量的，結果內部空間十分閉塞。而聖索菲亞教堂的穹頂下空間與南北兩側是明確隔開的，然與東西兩側又統一。這是為了宗教儀式的需要，增大縱深的空間，其平麵深約68.6米，寬32.6米，而穹頂的中心高55米，比古羅馬的萬神殿還要高和寬敞。至於南北兩側的空間，透過柱廊與中央部分相通，它的內部又以柱廊作劃分。這樣，層次多了，引起對空間的無限幻覺。在東西方向上，中央穹頂的側推力由層層跌落的半穹頂逐級化解；在南北方向上，則由四堵長18.3米、寬7.6米的牆牢牢地抵住帆拱和柱墩以使穹頂穩固。
這座教堂的第三大特點是，內部裝飾燦爛奪目：墩子和牆上全用彩色大理石貼麵，有白、綠、黑、紅等顏色，組成各種圖案，但其中不少裝飾畫特別是人像畫都被後來的伊斯蘭土耳其人塗抹掉了。柱子大多是暗綠色，少數是深紅色；柱頭一律用白色大理石，鑲以金箔，深雕的莨苕葉上是精致的卷渦。柱頭、柱礎和柱身的交接線處，都以包金的銅箍鑲飾；穹頂和拱頂全用玻璃馬賽克作裝飾，以金色作底子，也有少量藍色作底子的。地麵上也用馬賽克鑲嵌成圖案，因而上下左右顯得金碧輝煌，色彩琳琅滿目。
15世紀時土耳其人侵占君士坦丁堡，把這座聖索菲亞教堂改成清真寺。他們把內部的基督教裝飾改畫成伊斯蘭教的圖案裝飾，還在教堂的外麵四個角上建起了高高的尖塔。現在看來，這四根尖尖的高塔，象柱子一般簇立在大教堂的四方，象是旗杆，又象是神聖的衛士，增添了整個建築的秀麗之氣。
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