Для того чтобы проводить такие богослужения, необходимо было создать сооружение, обладающее большим свободным центральным пространством для церемоний и вмещающее просторные окружающие его помещения для огромного числа зрителей. В центре должна была находиться кафедра-амвон — место средоточия церемоний, изображающее по ходу действия то пещеру, где родился Христос, то гору, на которой он был распят и т.д. Центральная часть здания должна была иметь придаток в виде алтаря, изображавшего небесное царство, в то время как она сама представляла землю, где и происходили изображаемые события. Между землёй и небом осуществлялось постоянное общение, однако алтарь отделялся от зрителей невысокой преградой, скрывавшей небесный мир. Присутствующие могли заглянуть в него лишь периодически, когда открывались врата. Перед главным помещением должна была находиться более закрытая часть интерьера, в которой участники процессий могли собираться прежде, чем выйти в главное помещение.
Аналогичные функциональные требования, возникшие в менее развитой форме ещё в предшествующий период, породили архитектурный тип купольной базилики, который и был выбран для главного храма Византийской империи Анфимием и Исидором. Однако колоссальные размеры Софии, особая многолюдность и своеобразие происходивших в ней церемоний — всё это заставило архитекторов Софии заново продумать сам архитектурный тип купольной базилики и по-новому его организовать с учетом римского архитектурного опыта, хорошо им известного.
Анфимий и Исидор, оба родом из Малой Азии, положили в основу своей постройки малоазийский тип купольной базилики, где центральная часть здания была перекрыта куполом. Этим в здание было внесено начало центричности, вследствие чего базилика сильно укоротилась, как бы подтянувшись к куполу. Такая купольная базилика содержала в себе основные необходимые помещения : главное центральное помещение, к которому примыкает алтарная часть, двухъярусные галереи для зрителей и нартекс.
Возникает вопрос об основном отличии подобных купольных базилик — предшественниц Софии — от древнехристианских базилик Рима — этих первых наземных храмов христиан в западной столице империи после официального признания новой религии. Отличие заключается в прибавлении купола. В древнехристианской базилике всё было направлено к алтарю, который являлся основным, единственным центром интерьера. В купольной базилике, наряду с алтарём, возникает второй центр под куполом. Это свидетельствует о глубоком изменении самой концепции церковного здания, обусловленном изменением религиозной идеологии.
При дальнейшем развитии купольной базилики купол не вытеснил алтарную апсиду. Однако постепенно именно он становился главным видимым центром интерьера. Внесённое им центрическое начало усиливалось всё больше и больше. Базилика укоротилась и подтянулась к куполу. В результате основной архитектурный акцент был перенесён с апсиды на купол, и здание из базилики превратилось в центрическое сооружение.
Основная трудность, которая стояла перед архитекторами при проектировании Софии, заключалась в том, что существовавшие в византийском мире купольные базилики обладали очень скромными размерами, в то время как София должна была стать грандиозным сооружением. Другая трудность, чисто конструктивная, состояла в том, что деревянное перекрытие не подходило для интерьера диаметром более 30 м. Купол необходимо было сделать каменным и по соображениям идейно-художественного порядка. Он должен был изображать небесный свод, увенчивающий землю — центральную часть интерьера. Всё здание внутри должно было выглядеть однородным, оно всё должно было быть каменным от основания до замков сводов.
Сводчатые здания очень больших размеров были хорошо известны Анфимию и Исидору. По-видимому, их зодчие и взяли за образец, выбрав при этом наиболее грандиозные и замечательные постройки. Замыслам зодчих соответствовали самая грандиозная римская базилика, при этом сводчатая, и наиболее выдающееся купольное здание, при чём оказалось возможным соединить воедино особенности этих двух сооружений. Этими двумя постройками были базилика Максенция и Пантеон. Если бы в наше время архитектору предложили назвать два наиболее выдающихся римских здания, он не мог бы выбрать лучше.
План Софии отчётливо свидетельствует о том, что именно базилика Максенция была положена в основу её системы. План расчленён четырьмя промежуточными столбами на девять частей, так что центральный неф стал трёхчастным. От купольных базилик зодчие заимствовали хоры, которые позволяли им намного увеличить вместимость боковых нефов, предназначенных для молящихся.
Наиболее выдающимся архитектурным достижением двух строителей Софии является приём, при помощи которого они связали воедино в своём произведении базилику Максенция и купол Пантеона. Этот приём относится к наиболее смелым и удачным идеям в архитектуре прошлого. Это гениальное решение охватило одновременно функциональную, конструктивную и художественную стороны архитектуры. Оно привело к удивительно полноценному комплексному архитектурному образу.
Анфимий и Исидор изобрели систему полукуполов, связывающую купол Софии с её базиликальной основой. В эту систему входят два больших полукупола и пять малых. В принципе должно было быть шесть малых полукуполов, но один из них был заменён цилиндрическим сводом над главным входом в центральную часть интерьера из нартекса. Это отступление от общей системы великолепно выделяло главный входной портал и два меньших портала по его сторонам. Через эти порталы из нартекса входили процессии, через главный портал проходили император и патриарх. Полукупола прекрасно связали базилику и купол. Этим была создана купольная базилика совершенно нового типа, единственной представительницей которого является Константинопольская София.
Композиционный приём, применённый Анфимием и Исидором, фиксирует расположение купола в самом центре здания. В купольных базиликах предшествующего времени расположение купола постоянно колебалось в связи с возможностью удлинить или укоротить цилиндрические своды, находящиеся к западу и к востоку от купола. Обычно алтарь всё-таки притягивал к себе купол.
В Софии полукупола создают к востоку и к западу от купола аналогичные формы, имеющие одинаковую глубину. Благодаря этому купол не может быть сдвинут со своего места и уверенно отмечает центр здания. Одновременно с этим конха апсиды включена в систему полукуполов. Это означает, что алтарная часть закономерно привязана к куполу и к главной части интерьера. Так создана архитектурная система, узаконившая оба центра Софии — купол и апсиду, амвон и алтарь. Вследствие этого система полукуполов великолепно связала направленность к алтарю базилики и центричность купольной постройки. В Софии базилика и купол внутренне органически связаны друг с другом. Это действительно настоящая купольная базилика, венец всего развития этого архитектурного типа.
Не менее значительную роль полукупола Софии сыграли и в отношении архитектурно — конструктивном. Огромный купол Софии создаёт очень сильный распор. В южном и северном направлениях распор погашается мощными столбами, по два с каждой стороны. Своды боковых нефов, расположенные в двух ярусах, участвуют в погашении распора купола в том же направлении. В восточном и западном направлениях распор погашается полукуполами. Выдающееся значение такого решения заключается в том, что полукупола выполняют свою конструктивную роль, не загромождая интерьера главной части и не нарушая его целостности.
Замечательно и художественное значение Системы купола и полукуполов Софии. Эта система одновременно решает целый комплекс художественных проблем.
Полукупола все вместе образуют геометрическую фигуру, приближающуюся к овалу. Именно этим они создают промежуточное связующее звено между базиликой и центрическим зданием. В принципе образованы три вписанных друг в друга фигуры, постепенно переходящие одна в другую : прямоугольник основного очертания плана, овал полукуполов и окружность купола. Овал служит переходом от прямоугольника к окружности.
В конкретном пространственном выражении эта схема принимает особенно законченную и органическую форму. Полукупола продолжают ритм нарастания пространства интерьера от боковых нефов к центральному. По мере развития полукуполов в направлении купола пространство нарастает вплоть до кульминационной точки в центре. В обратную сторону центральное пространство под куполом постепенно ниспадает в обе стороны и сменяется далее пространством боковых нефов.
Сравнение Софии и Пантеона вскрывает коренное отличие между ними в трактовке купола. В Пантеоне подкупольное пространство статично, это замкнутый огромный в своей компактности кусок пространства, твёрдо очерченный стенами и куполом. В Софии центральное пространство интерьера легко, воздушно и динамично. Ажурные колоннады связывают его со всеми окружающими соседними помещениями. Пространство со всех сторон нарастает по направлению к венчающему куполу. Самый купол возникает и как бы строится во времени на глазах у зрителя; он постепенно развивается из полукуполов. Последние охватывают собой только часть интерьера, в то время как купол замыкает сверху интерьер весь в целом.