Перед собором когда-то располагался огромный, обнесенный колоннадой, двор атриум, с фонтаном в центре, как это было свойственно раннехристианской архитектуре. Центральный вход в храм, называемый Orea Porta, был с западной стороны, но использовался он лишь во время больших праздников, да и то только император и его свита имели право шествовать через него.
Среди сохранившихся мозаик необходимо отметить изображение Христа над царскими вратами, где Спаситель восседает на троне, а с двух сторон изображение Богоматери и архангела. У ног Иисуса припавший император. На южной стороне храма, в глубоких нишах, сохранились изображения нескольких святителей: Василия Великого, Григория Богослова, Николая Мирликийского и др. На северной стороне уцелело несколько изображений пророков. Сохранилось также изображение Богоматери с Младенцем, которое находится на арке храма с западной стороны. По сторонам Богоматери два апостола – Петр и Павел. В алтаре храма осталось лишь изображение ангела с крыльями, с державой в левой руке и скипетром в правой. На восточной арке сохранилось изображение Богоматери с Иоанном Предтечей и с портретным изображением императора Иоанна Палеолога.
На южной стороне храма расположен коридор со сводами, грозно называемый Вестибюлем воинов, где император оставлял оружие и свою охрану. Здесь на сводах сохранились следы золотой мозаики времен Юстиниана. Над дверью, ведущей в притвор, сохранилась мозаика X в. с изображением Богоматери, принимающей дары от двух императоров – Константина (город) и Юстиниана (храм).
С трех сторон внутреннее пространство собора окружено хорами – галереями, перекрытыми арками. Во времена Юстиниана хоры предназначались для женской половины двора. На северной стороне расположен пологий пандус на хоры, по которому поднимали императрицу в паланкине. В центре западной галереи, напротив алтаря, откуда открывается великолепный вид на всю церковь, обозначено место кругом из зеленого мрамора, на котором стоял трон императрицы.
В 553 г. Святую Софию постигло несчастье: после крупного землетрясения обрушилась часть купола. После восстановления он был поднят на 9 м, потеряв во многом былую воздушность. В 986 г. купол вновь обвалился. Этот вновь восстановленный купол и сохранился до наших дней.
До постройки собора Святого Петра в Риме Святая София оставалась самым большим храмом христианского мира.