Sus arquitectos, Antemio de Tralles e Isidoro de Mileto, cubrieron el edificio, de planta casi cuadrada, con una cúpula central sobre pechinas. Ésta reposa sobre cuatro arcos, sostenidos a su vez por cuatro columnas. Dos semicúpulas hacen de contrafuerte de la cúpula central y los muros abiertos están asegurados por contrafuertes. Posee además unos bellos mosaicos bizantinos. La construcción definitiva se llevó a cabo sobre la primitiva basílica de Constantino entre el 532 y el 537, durante el reinado de Justiniano, en el periodo conocido como "Primera Edad de Oro". Sus arquitectos realizaron un diseño sin antecedentes, tomando elementos conocidos (planta basilical y rotonda), pero que se unen en una estructura nueva.
Fue utilizada como iglesia cristiana durante casi mil años, desde su construcción hasta la conquista de Constantinopla por los turcos en 1453. Allí se refugiaron los aterrorizados habitantes en el ataque a la ciudad. Los otomanos la conviertieron en mezquita, agregando posteriormente los cuatro minaretes que hoy presenta, así como los medallones decorativos interiores. En 1935 fue convertida en museo.
En palabras de Agatías, los diseñadores (Artemio de Tralles era matemático, Isidoro de Mileto arquitecto) trataron de «aplicar la geometría a la materia sólida». Justiniano, según su cronista oficial Procopio de Cesarea, al ver Santa Sofía terminada exclamó: «Salomón, te he superado».
Su arquitectura es eminentemente espacial, aunque el efecto exterior ha sido significativamente modificado por los otomanos, que lo enriquecieron con minaretes, espolones y grandes contrafuertes. La idea del edificio fue el que la gran cúpula que se iba a construir se sostuviera merced a cuatro arcos reforzados, mediante contrafuertes y semicúpulas que desviaran los empujes. .Los timpanos de los cincos arcos principales reflejan como se llevó el cuerpo de San Marcos a la basílica.
La planta es un rectángulo de 77 x 71 metros. La cúpula con forma de media naranja, de 56,6 metros de altura y 31,87 de diámetro, se apoya sin tambor en cuatro pechinas y está rodeada por cuarenta pequeños contrafuertes separados por otras tantas ventanas, dando la sensación según Procopio de estar «suspendida del cielo por una cadena de oro». Por fuera, la masa de la gran iglesia se eleva no sin cierta armonía, pero sin demasiada gracia. La cúpula imponía una centralización bastante ajena a las basílicas del pasado, pero gracias a las pechinas y la traslación de los esfuerzos a las naves laterales, así como un refinado uso de la luz, «no parece descansar en base sólida». Se encuentra frente a la Mezquita Azul.
