Όταν κανείς εισέρχεται στο ναό μένει έκθαμβος από τη μεγαλοπρέπεια και ατενίζει τον ύψους 55 μέτρων τεράστιο θόλο, πλάτους 31 μέτρων, πού στηρίζεται σε τέσσερις μεγάλες αψίδες, οι οποίες πάλι βαστάζονται από τέσσερις ογκώδεις κίονες. Η Αγία Σοφία είναι ο τύπος της θολωτής βασιλικής, γνωστός στην Μικρά Ασία από τον 5ο αιώνα. Η διακόσμηση πού κάλυπτε το εσωτερικό του ναού ήταν ίσης σπουδαιότητας με την αρχιτεκτονική του. Υψηλοί κίονες από πορφύρα, λευκό και πρασινωπό διάστικτο μάρμαρο, στεφανωμένοι με μαρμάρινα κιονόκρανα ήταν διακοσμημένοι με γραμμές χρώματος μπλε ή χρυσαφί. Οι τοίχοι καλύπτονταν με μάρμαρα πολύχρωμα, ζωγραφισμένα από τούς πιο επιδέξιους ζωγράφους, και από ψηφιδωτά πού έλαμπαν μέσα στο βαθύ μπλε ή αργυρό φόντο. Η Αγία Τράπεζα ήταν κατασκευασμένη από καθαρό χρυσό και έλαμπε διακοσμημένη με σπάνια κοσμήματα και σμάλτο, ενώ το Ιερό ήταν στολισμένο με μεταξωτά και χρυσά κεντήματα. Ο τεράστιος πολυέλαιος με τα χιλιάδες κεριά φώτιζε το ναό, ο οποίος φωτιζόταν και στο εξωτερικό του κατά τη διάρκεια της νύκτας και έκανε την εκκλησία να λάμπει με πύρινη λαμπρότητα και να αναγγέλλει στους ναυτικούς από μακριά τη δόξα της αυτοκρατορίας και το τέλος του ταξιδιού τους.
Όπως αποκαλύφθηκε από την επιστημονική έρευνα, το υλικό υποδομής που χρησιμοποιήθηκε στον θόλο της Αγίας Σοφίας είναι κατά 97% παρόμοιο με εκείνο που χρησιμοποιήθηκε στα ιστορικά κτίρια της Ρόδου και περιέχει ένα συστατικό που αντέχει στη φωτιά και εξελίχθηκε στην Ανατολή.
Αυτό το οικοδομικό υλικό, ένα είδος πυρίμαχου τούβλου, είναι όμως
δώδεκα φορές πιο ελαφρύ από το κανονικό τούβλο και αντέχει στην ένταση που προκαλεί ο σεισμός. Αποκαλύφθηκε επίσης ότι η λάσπη που χρησιμοποιήθηκε αποτελείτο από ημιαποκρυσταλλοποιημένο υλικό το οποίο έχει την ιδιότητα να απορροφά την ενέργεια του σεισμού
