Neobyčejně odvážná centrální stavba s velikou cihlovou klenbou znamenala přelom ve vývoji architektury. Původní stavba téměř čtvercového půdorysu o rozměrech asi 80 x 71 m byla později obestavěna různými přístavky. Do chrámu se vstupovalo od severovýchodu dnes zbořeným atriem s mramorovými sloupy a trojí bránou do úzkého vnějšího nartexu. Ten je spojen pěti vchody s dvoupatrovým vnitřním nartexem o rozměrech 9 x 60m; spodní patro sloužilo uchazečům o křest (katechumenům), horní je součástí chrámového ochozu. Centrální kupole o průměru 32 m sahá do výše 55,6 m, po jejím obvodě je mezi žebry klenby 40 úzkých oken a celá kupole je nesena čtyřmi mohutnými kamennými pilíři o rozměrech 7,5 x 18 m, jimiž dole procházejí boční lodi. Přechod ze čtvercového půdorysu ke kruhové kupoli zprostředkují trojúhelníkovité nosné výplně (pendentivy), 20 m vysoké, nad nimiž kupole vyčnívá už jen o 15 m. Na střední čtverec navazují na západ i na východ dva nižší polokruhové prosotry o stejném poloměru s konchovou klenbou, která podpírá hlavní kupoli. Zbytek půdorysu vlevo i vpravo hlavními pilíři klenby rozdělen na menší klenuté prostory bočních lodí. Spodní patro je součástí hlavního prostoru, horní patro, otevřené do lodi arkádami, bylo vyhrazeno ženám (gynaeceum) a je přístupné zvenčí rampami a schodišti. Na jihovýchodní straně vybíhá prostor do apsidy. Kupole jsou pokryty olověným plechem o síle asi 6 mm, který je přibit k dřevěným latím. Působivost hlavního prostoru zdůrazňuje nepřítomnost sloupů a protože hlavní pilíře dovnitř nijak nevyčnívají, divák má dojem, jako kdyby klenba byla někde zavěšena. Kupole je postavena ze čtvercových cihel o straně 80 a 70 cm a 5 cm silných, s téměř stejně silnými spárami. Spáry neprobíhají radiálně ke středu klenby, nýbrž šikmo, aby se síly lépe přenáš