戴以巨型穹顶，外部罩以“洋葱头”式窟窿顶罩，罩上有十字架，至十字架顶端通高53.35米。正门顶端则设“”式尖塔，用作钟楼。两翼和后门亦设“帐篷顶”尖塔。中央穹顶最高，钟塔略低，其余三座尖塔最低。另有地下室，设库房和锅炉房等。圣索菲亚教堂结合了拜占庭式建筑风格（平面呈十字架形；方形房间的墩柱上设穹顶；中央大穹顶和四面4个小穹顶）和俄罗斯民间木建筑风格（“洋葱头”和“帐篷顶”），是一座型制严整、风貌地道的俄罗斯式东正教堂。日本建筑史学家认为，圣索菲亚教堂在规模之大、构思之完整方面，足可以与莫斯科圣瓦西里