Ayasofya, tarihi boyunca farklı işlevler üstlenmiş ve bu süreçte mimari özellikleriyle de dikkat çekmiştir. Hem Bizans hem de Osmanlı döneminde önemli bir yapıt olarak öne çıkan Ayasofya, mimarisiyle etkileyici bir görsellik sunmakta. Eliptik kubbesi, zarif sütunları ve zengin malzeme kullanımı, bu yapının hem estetik hem de mühendislik açıdan ne denli önemli olduğunu göstermektedir. Ayrıca, yapının iç mekânında yer alan ışık oyunları, atmosferini daha da büyüleyici hale getirir.

Ayasofya'nın mimari özelliklerinden bazıları şunlardır:

• Kubbe. 55,6 metre yüksekliğindeki ana kubbe, eliptik bir forma sahiptir.
• Taşıyıcı sistem. Kubbe, pandantifler vasıtasıyla dört büyük kemer üzerine oturur.
• Malzeme. Yapının yapımında mermer, taş ve tuğla kullanılmıştır.
• Pencereler. Ayasofya'da 40 büyük pencere bulunmaktadır.
• Sütunlar. Yapıda 107 sütun yer almaktadır.
• Duvarlar. Duvarlar, yurt dışından gelen renkli yekpare mermerlerle kaplıdır.
• Osmanlı eklentileri. Osmanlı döneminde camiye dönüştürülmesinin ardından mihrap ve minber, hünkar mahfili, hat levhalar, I. Mahmud Kütüphanesi, muvakkithane, türbe, şadırvan, sübyan mektebi eklenmiştir.

Ayasofya, mimari bakımdan bazilika planı ile merkezi planı birleştiren, kubbeli bazilika tipinde bir yapıdır.