Dari pembukaannya, Hagia Sophia yang ketiga dan terakhir memang merupakan struktur yang luar biasa. Bangunan ini menggabungkan elemen desain tradisional basilika Ortodoks dengan atap kubah besar, dan altar semi-kubah dengan dua beranda.
Marmer yang digunakan untuk lantai dan langit-langit diproduksi di Anatolia (sekarang Turki timur) dan Suriah, sementara batu bata lainnya (digunakan di dinding dan bagian lantai) berasal dari Afrika Utara. Interior Hagia Sophia dilapisi dengan lempengan marmer besar yang dikatakan telah dirancang untuk meniru air yang bergerak. 104 pilar Hagia Sophia juga diimpor dari Kuil Artemis di Ephesus dan dari Mesir.
Bangunan ini memiliki panjang sekitar 82 meter dan lebar 73 meter dan, pada titik tertinggi, atap kubah membentang sekitar 55 meter. Ketika kubah pertama mengalami keruntuhan sebagian pada 557, penggantiannya dirancang oleh Isidore the Younger (keponakan Isidoros, salah satu arsitek asli) dengan tulang rusuk struktural dan busur yang lebih menonjol, dan versi struktur ini tetap ada sampai sekarang.
Kubah utama Hagia Sophia bersandar pada lingkaran jendela dan didukung oleh dua semi-kubah dan dua bukaan melengkung untuk membuat nave besar, dinding yang awalnya dilapisi dengan mosaik Bizantium rumit yang terbuat dari emas, perak, kaca, terra cotta dan batu berwarna-warni, menggambarkan adegan terkenal dan tokoh-tokoh dari Injil Kristen.
Karena Ortodoks Yunani menjadi agama resmi Bizantium, Hagia Sophia dianggap sebagai gereja utama, dan dengan demikian menjadi tempat di mana kaisar baru dimahkotai.
Hagia Sophia berperan penting dalam budaya dan politik Bizantium selama 900 tahun pertama keberadaannya. Namun, Namun selama Perang Salib, kota Konstantinopel termasuk Hagia Sophia, berada di bawah kendali Romawi untuk periode singkat di abad ke-13. Hagia Sophia rusak parah selama periode ini, tetapi diperbaiki ketika Bizantium sekali lagi menguasai kota.
