Kościoły bizantyńskie budowano na planie krzyża greckiego (równoramiennego) przez połączenie planu centralnego z podłużnym. Polega to na tym, że przy zachowaniu planu krzyża greckiego, wprowadzone jest położenie osi portal (wejście do kościoła) – ołtarz jak nawy głównej w planie podłużnym. W miejscu przecięcia „ramion” budowano dużą kopułę. Wewnątrz kościoła (dziś meczetu) Hagia Sophia znajdują się liczne mozaiki i kolumny. Większość dzieł chrześcijańskich jest zasłonięta przez ozdoby muzułmańskie. W centralnym punkcie świątyni znajduje się kopuła, która wygląda, jakby unosiła się w powietrzu.
Hagia Sophia miała pokazywać potęgę Bizancjum i jego władcy, przez co jej wystrój, zarówno wewnętrzny, jak i zewnętrzny, miał budzić podziw.