Апсиды собора. Открытая древняя кладка
Собор сложен в византийской технике из чередующихся рядов камня и плинфы (широких, тонких кирпичей), снаружи кладка была покрыта раствором-цемянкой. Для того чтобы можно было представить исходный облик собора, на фасадах реставраторами оставлены участки раскрытой древней кладки. Длина собора без галерей 29,5 м, ширина — 29,3; с галереями: 41,7 и 54,6. Высота до вершины главного купола 28,6 м, величина центрального подкупольного квадрата 7,6 м.
Собор строился константинопольскими строителями, при участии киевских мастеров. Между тем, невозможно найти прямых аналогов Софийского собора в византийской архитектуре того времени. Храмы, строившиеся тогда в империи, были обычно меньше, имели лишь 3 нефа и одну главу. Предполагается, что перед византийцами была поставлена задача создания большого храма для торжественных церемоний, главного храма Руси, которую они решили путём увеличения числа нефов и добавления барабанов глав для их освещения.
В то же время первоначальное архитектурное решение собора имело свою символику. Центральный высокий купол храма всегда в византийской архитектуре напоминал о Христе — Главе Церкви. Двенадцать меньших куполов собора ассоциировались с апостолами, а четыре из них — с евангелистами, через которых христианство проповедовалось во все концы земли.