Hagia Sophia łączy w sobie cechy bazyliki - podłużnej budowli założonej na planie prostokąta lub krzyża łacińskiego - i budowli centralnej - założonej na planie koła, wieloliścia lub wieloboku.

Typ bazylikowy charakterystyczny jest dla architektury chrześcijańskiej kręgu łacińskiego, a typ centralny dla kręgu greckiego chrześcijaństwa.

Centralną część kościoła stanowi przestrzeń na planie kwadratu, znajdująca się w nawie głównej i wyznaczona przez cztery potężne filary. W kwadrat wpisane jest koło będące podstawą kopuły rozpiętej nad główna przestrzenią świątyni.

Kopułę podtrzymują cztery pendentywy (rodzaj sklepienia o kształcie trójkąta sferycznego) - jest to rozwiązanie typowe dla architektury bizantyjskiej. Dzięki nim masywna kopuła o średnicy 31 metrów i wysokości od posadzki do najwyższego punktu - 55,6 metra - optycznie traci swój ciężar, staje się lekka.

Od wschodu i zachodu poniżej kopuły, do ścian nawy przylegają dwie półkopuły, wspierające kopułę centralna i przykrywające pozostała przestrzeń. Dodatkowo filary podtrzymujące kolumnę wzmocniono masywnymi przyporami.