Seu interior, decorado com pilares de mármore e mosaicos é de grande valor artístico. O próprio imperador Justiniano supervisionou a finalização da maior catedral já construída na época.
Ela foi a maior conquista arquitetônica da antiguidade tardia e sua influência se espalhou pelo mundo ortodoxo, católico e islâmico.
As maiores colunas são de granito, com entre 19 e 20 metros de altura e pelo menos 1,5 metros de diâmetro, tendo a maior mais de 70 toneladas. Por ordens do imperador, oito colunas coríntias foram desmontadas em Baalbek, no Líbano, e enviadas para Constantinopla para a construção de Santa Sofia.
O vasto interior tem uma estrutura complexa. A nave é coberta por um domo central que, no seu ponto mais alto, está a 55,6 metros do chão e repousa sobre uma arcada com 40 janelas arqueadas.
Restaurações em sua estrutura o deixaram com uma forma algo elíptica, com o diâmetro variando entre 31,24 e 30,86 metros
Tanto no lado da entrada ocidental e quanto no lado oriental, litúrgico, há aberturas em forma de arco ampliadas por semi-domos de diâmetro idêntico ao domo central, suportados por exedras em forma de semi-domos: uma hierarquia de elementos encimados por domos construídos de forma a criar um vasto interior de forma oblonga culminando no domo central, com uma abertura de 76,2 metros no total.
As superfícies interiores são cobertas com mármores policromáticos, verdes e brancos com pórfiro púrpura, além dos mosaicos dourados.
O exterior, revestido de estuco, foi pintado de amarelo e vermelho nas restaurações do século XIX por ordem dos Fossati, os arquitetos.
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