Толщина стен местами достигает 5 метров. Для прочности крепления кладки в раствор добавляли экстракт листьев ясеня. Храм неоднократно страдал от землетрясений и постоянно восстанавливался. Стены собора укреплены контрфорсами, которые придают странные очертания сооружению.
Внутри храма есть уникальное место – Омфалин, «пуп земли», центр Мира – место, где традиционно короновали византийских императоров. Он представляет собой квадрат из мраморных плит с вкрапленными декорированными окружностями внутри. Его и сейчас можно увидеть на полу собора Святой Софии.
Именно в соборе Святой Софии произошел раскол христианской церкви на православную и католическую, когда в 1054 году на богослужении официальный представитель Папы Римского вручил отлучительную грамоту константинопольскую патриарху. Патриарх подумал пару дней, а потом отлучил от церкви посланника Папы Римского. Позже храм был разграблен крестоносцами, которые пошли в поход в Египет для религиозной войны против мусульман. Например, Туринская плащаница (плащаница Христа), Дары волхвов и Пояс Богородицы были вывезены в Европу наравне с другими христианскими реликвиями. Есть мнение, что около 90 % всех реликвий, находящихся в Европе, вывезены во время именно этого похода.
В ночь на 29 мая 1453 года в храме прошла последняя христианская служба. Ее почтил своим присутствием сам император со своей свитой. Есть легенда, что когда османы ворвались в собор, священнослужитель укрылся в нише, которая предположительно находится в южной части собора (эта ниша находится справа от центрального входа в собор). Стены чудесным образом разомкнулись и укрыли за собой священника. По легенде, священник по сей день находится там и вновь явится миру, как только собор снова станет христианским храмом. Здесь и сегодня можно услышать шум, который словно идет изнутри стены.
По другой версии этой легенды священник скрылся в неожиданно появившейся в стене двери, когда османы ворвались в храм, со Святым Граалем в руках – чашей, из которой причащался Иисус Христос – дабы святой сосуд не попал в руки мусульман. После того, как священник скрылся, дверь тот час же превратилась в стену. Христиане верят, что священнослужитель со Святым Граалем появится вновь, когда Собор Святой Софии вновь станет христианским храмом.