Όταν ο Ιουστινιανός αποφάσισε να κατασκευάσει την Αγία Σοφία το 552, στη θέση του δυο φορές καμμένου ναού, η κυρίαρχη μορφή ενός ναού ήταν η βασιλική, δηλαδή ένα επίμηκες ξυλόστεγο κτήριο με τρία ή πέντε κλίτη (εικόνα 9). Η μορφή αυτή ναού εξυπηρετούσε πολύ καλά την Θεία Λειτουργία έως την εποχή αυτή, η οποία περιελάμβανε μακριές πομπές στο εσωτερικό του ναού, μπορούσε να κτιστεί εύκολα και να πάρει πολύ μεγάλες διαστάσεις ανάλογα με το πλήθος του εκκλησιάσματος. Ωστόσο φαίνεται ότι τον 6ο αιώνα η εποχή απαιτούσε κεντρικό σχεδιασμό των κτηρίων που να αντανακλούν την συγκέντρωση εξουσίας. Κεντρικά σχεδιασμένα κτήρια υπήρχαν ήδη σε διάφορες πόλεις της αυτοκρατορίας, αλλά δεν αποτελούσαν το κυρίαρχο ρεύμα ναών και οπωσδήποτε καλύπτονταν από ξύλινες στέγες. Κάλυψη με τρούλλο κτιστό είχαμε σε ορισμένες περιπτώσεις την ρωμαϊκή εποχή (το καλλίτερο παράδειγμα το Ρωμαϊκό Πάνθεον), αλλά μόνο σε περίκεντρα κτήρια, τα οποία δεν μπορούσαν να στεγάσουν την χριστιανική λατρεία. Όταν ο Ιουστινιανός αποφάσισε να ξανακτίσει την, δύο φορές καμμένη, Αγία Σοφία ζήτησε από του αρχιτέκτονες ένα κτήριο χωρίς ξύλινα μέρη, ούτε ελκυστήρες, που να μην μπορεί να καεί. Επίσης ζήτησε ένα κτήριο κεντρικά σχεδιασμένο που όμως να διαθέτει επίμηκες σχήμα για να μπορεί να στεγάσει την Θεία Λειτουργία.
Για τον σχεδιασμό αυτού του κτηρίου ο Ιουστινιανός προσκάλεσε δύο πολύ σημαντικούς επιστήμονες, οι οποίοι ξεπερνούσαν σε θεωρητική κατάρτιση κατά πολύ τους αρχιμάστορες της εποχής. Η σημασία τους ήταν τόση ώστε τα ονόματα τους έφτασαν ως εμάς, πράγμα εξαιρετικά σπάνιο σε όλη την ιστορία της βυζαντινής αρχιτεκτονικής, όπου δεν γνωρίζουμε τους αρχιτέκτονες που σχεδίασαν τα κτήρια: Τον Ανθέμιο από τις Τράλλεις και τον Ισίδωρο από την Μίλητο (εικόνα 4). Η συμβολή τους στον σχεδιασμό ασφαλώς ήταν μεγάλη, αφού άλλωστε αυτή είναι η δουλειά των αρχιτεκτόνων να υλοποιούν τις ιδέες του χορηγού μέσα στα πλαίσια της τεχνολογίας της εποχής (εικόνα 10).
Το αποτέλεσμα ήταν η κατασκευή ενός μεγάλου τετράγωνου χώρου, ο οποίος συμβολίζει την Γή, καλυμμένου με έναν τεράστιο τρούλλο από τούβλα (που δεν καίγονται) και η προσθήκη στην κεντρικό αυτόν χώρο δύο ακόμα σε ανατολή και δύση που καλύφθηκαν με τεταρτοσφαίρια για την δημιουργία επιμήκους χώρου. Για την μορφή αυτή χρησιμοποιήθηκε ένα σύστημα δομής για τη μετάβαση από τον τρούλλο στον κύβο μέσω σφαιρικών τριγώνων (εικόνες 11 και 12).
«Η σημαντικότερη καινοτομία της Αγίας Σοφίας είναι ίσως ότι για πρώτη φορά εδώ το κτίριο συλλαμβάνεται ως εσωτερικός χώρος, σε αντιδιαστολή με ότι συμβαίνει με κλασικούς ναούς όπως ο Παρθενών, ή με βασιλικές όπως ο παλαιός Άγιος Πέτρος ή η Σάντα Μαρία Ματζόρε στη Ρώμη. Παρά την αδιαμφισβήτητη επιβλητικότητα του εξωτερικού της, η μεγάλη δόξα και φήμη της Αγίας Σοφίας οφείλεται στο εσωτερικό της, όπου οι επίγειες σκέψεις εξανεμίζονταν και ο πιστός ένιωθε την ψυχή του να φτερουγίζει προς τον ουρανό. Η χριστιανική αντίληψη ότι σημασία δεν έχει τόσο η εξωτερική επίφαση όσο η εσωτερική αλήθεια είχε επηρεάσει σαφώς το συνολικό διακοσμητικό σχέδιο της Αγίας Σοφίας» (Τάλμποτ-Ράις, Ντέιβιντ, Βυζαντινή Τέχνη, μτφ. Ανδρέας Παππάς, εκδ. Υποδομή, (Αθήνα 1994), σελ. 54-55).
Ο ναός εγκαινιάστηκε το 557μ.Χ. Αρχικά υπήρχε εξωτερικό αίθριο με φιάλη το οποίο αργότερα εξαφανίστηκε, ενώ πλαισιωνόταν με το πατριαρχικό μέγαρο και το Βαπτιστήριο (σώζεται).
Τρούλος
Ο τρούλλος αυτός ήταν ο μεγαλύτερος τρούλλος επί σφαιρικών τριγώνων που είχε κατασκευαστεί έως τον 16ο αιώνα (διάμετρος 31,87μ) (εικόνα 13). Περιμετρικά του ψευδοτυμπάνου ανοίγονται 40 παράθυρα που λόγω της διάθλασης του φωτός, δημιουργούν την αίσθηση ότι ο τρούλλος υπερίπταται του ναού. Ο τρούλος ήταν αρχικά χαμηλότερος, δηλαδή δεν ήταν ημισφαίριο και λόγω των μεγαλύτερων ωθήσεων που αναπτύσσονταν δεν άντεξε το ίδιο του το βάρος και κατέρρευσε μέσα σε 5 χρόνια από την κατασκευή του (εικόνα 14). Επανασχεδιάστηκε από τον Ισίδωρο τον Νεώτερο (εικόνα 15), ανιψιό του προηγούμενου, ο οποίος είχε ήδη πεθάνει, με ψηλότερα το κέντρο του (εικόνες 16 και 17).
Σφαιρικά τρίγωνα.
Η στήριξη ενός τρούλλου σε τετράγωνο χώρο απαίτησε πρωτοποριακό σχεδιασμό με την χρήση τεσσάρων σφαιρικών τριγώνων, μέθοδος που δεν είχε ξαναχρησιμοποιηθεί ποτέ στην ιστορία της αρχιτεκτονικής. Τα παλαιότερα συστήματα (ημιχώνια, σύστημα επεξοχής) ήταν ατελεστέρα και οπωσδήποτε κάλυπταν πολύ μικρότερους χώρους. Τα σφαιρικά τρίγωνα, στα οποία στηρίζεται ο τρούλλος μεταβιβάζουν τα τεράστια φορτία της κυκλικής βάσης του τρούλλου σε τέσσερα στηρίγματα (εικόνα 18).
Αντηρίδες
Επειδή τα στηρίγματα, στα οποία καταλήγουν τα βάρη του τρούλου, όπως μεταφέρονται από τα σφαιρικά τρίγωνα, ήταν ανεπαρκή για να φέρουν το βάρος του και είχαν αρχίσει να υποχωρούν (εικόνα 19), κατασκευάστηκαν εξωτερικές ογκωδέστατες (στο εσωτερικό τους φέρουν και κλιμακοστάσια) ενισχύσεις (αντηρίδες) (εικόνες 20-21). Λόγω του πρωτοποριακού σχεδιασμού, οι τοίχοι που κλείνουν τα τόξα (τύμπανα) είναι τοποθετημένοι περασιά με την εσωτερική προς το ναό επιφάνεια τους (εικόνα 22) με αποτέλεσμα να μην είναι ορατές από τον εκκλησιαζόμενο παρά μόνον απ έξω. Δημιουργούνται έτσι αδιάσπαστες εσωτερικές επιφάνειες για διακόσμηση και η αίσθηση της παντελούς έλλειψης στηριγμάτων και του αχειροποίητου του ναού, που ήταν μια από τις απαιτήσεις του αυτοκράτορα (εικόνα 23). Αργότερα οι αντηρίδες αυτές ενισχύθηκαν ακόμα περισσότερο με την υπερύψωση τους για την δημιουργία αντίβαρου στις ωθήσεις του τρούλου (εικόνα 24), ολοκληρώνοντας την εξωτερική μορφή του ναού (εικόνα 25).
Τα υπερώα
Καταλαμβάνουν τον όροφο πάνω από τα κλίτη και τον εσωνάρθηκα ήταν προσβάσιμα μέσω σπειροειδών κεκλιμένων επιπέδων στις τέσσερις γωνίες του ναού. Σήμερα μόνο η βορειοδυτική γωνία χρησιμοποιείται για το σκοπό αυτό. Από εδώ παρακολουθούσαν τη Θεία Λειτουργία οι ευγενείς και η αυτοκράτειρα. Πιθανόν το ομφάλιο στο κέντρο του δυτικού υπερώου συμβολίζει τη θέση της (εικόνα 25α).
