de ve içten 30.80 - 32.6 m çaplarındaki ana kubbenin ağırlığı doğu ve batısındaki iki yarım kubbeyle hafifletilmiştir. Ana kubbenin güney ve kuzeyde yarattığı baskı ise payandalarla karşılanmıştır. Bir şemsiyenin telleri gibi, kubbenin tepesinden başlayıp kubbe pencereleri arasından geçerek pandantiflere inen 40 kaburga, kubbenin ağırlığının payelere aktarılmasında önemli bir rol oynar. Binanın ağırlığını 40'ı aşağıda, 67'si üst katta olan 107 sütun taşımaktadır. Bu sütunların bir kısmı orta nefin her iki yanında, iki katlı bir dizi oluştururlar. Orta nefin kuzey kenarını oluşturan çift katlı sütun dizisinin üzerindeki duvarda (tympanon) Ortodoks Kilisesi patriklerinin mozaikleri bulunur. Bunlar çok yüksekte olduklarından dürbünsüz pek iyi görülemezler. Ana mekân, duvarlardaki ve kubbedeki pencerelerden ışık alır.

Mozaiklerle kaplı ana kubbenin ortasında Bizans döneminde İsa’yı tasvir eden bir mozayiğin yer aldığı bilinmektedir. Kilise camiye çevrildiğinde diğer insan figürlü mozaiklerin sıvayla kaplanmasına karşın bu mozaik 17. yüzyıl ortalarına açık bırakılmış, 17. yüzyıl ortalarında Kazasker Mustafa İzzet Efendi tarafından üzerine “Allahü Nurüssemavat...” diye başlayan ayetin işlendiği bir sıvayla kapatılmıştır. Bununla birlikte mozayiğin 1894 depreminde düşmüş olduğu da iddia edilmektedir.

Ana kubbede hem kubbenin ağırlığını azaltmak, hem de ana mekânın aydınlanmasını sağlamak üzere 40 pencere açılmıştır. Kubbenin mozaiklerini onarmak üzere kurulan 60 ton ağırlığındaki metalik iskele onarım çalışmalarının sürmesi nedeniyle henüz kaldırılamamış olup, kubbenin tümüyle görülmesini engellemektedir. 

Kubbenin zemine izdüşümü olan çember araştırıldığında, zeminde taşa 40 adet haçın bir çember oluşturacak şekilde kazınmış olduğu görülür. Bu haçların hiçbir sembolik değeri yoktur, mimari bir yöntemin uygulanması için bazı noktaların kesişen iki çizgiyle işaretlenmesinden ibarettir. Bir yapıya kubbe inşa edilmeden önce zemine, inşa edilecek kubbenin çemberi işaretlenir ve daha sonra bu noktalara çekül tutularak kubbe inşa edilir. Bu mimari yöntem günümüzde de uygulanmaktadır; tek fark artık çekül yerine lazerin kullanılmasıdır.
Kubbeden payelere geçişi sağlayan dört pandantif üzerinde Hristiyan melekler hiyerarşisindeki bir melek sınıfını tasvir eden freskler bulunmaktadır. Bunların Kerubi melekleri mi, yoksa Seraphim melekleri mi oldukları konusu kesinlik kazanmamıştır. Bizans’ın erken devirlerinde bunların mozaik olduğu belirtilir, tahrip olduklarında freske çevrilmiş oldukları düşünülmektedir. Üzerleri Osmanlı döneminde hiç kapatılmamış, yalnızca yüzlerine altın yaldızla kaplı oval bir yıldız yerleştirilmiştir. Bu 6 kanata sahip melek fresklerinden ikisinin birkaç yıl önce restore edilmiş olmasına karşın, yağmurun sızması nedeniyle yeniden tahrip oldukları görülmektedir. Bu tahribatın nedeni Bizanslılar’ın yapıda dere kumu yerine deniz kumu kullanmış olmalarıdır. Zira deniz kumu inşaatte kullanılmadan önce suyla yıkansa da, bir miktar tuzu bünyesinde tutmakta ve kumun yapıda kullanılmasından sonra bu tuz, yağmur sularını çekici ve emici bir işlev görmektedir. (Bu tahribat özellikle üst kattaki tavan mozaiklerinde etkili olmuştur.)

Orta nefin iç nartekse yakın kısmında helenistik dönemden kalma (MÖ 4. yy.), bektaşi taşından (İng. alabaster) yapılma iki büyük küp bulunmaktadır. Bunlar III. Murad döneminde Bergama’da bulunmuş, Ayasofya’ya getirilerek su içme gereksinimlerini karşılamak üzere kullanılmıştır. Küplerden büyük olanı 1200 litrelik bir kapasiteye sahiptir.

Duvarlardaki boş taş çerçevelerde Bizans döneminde ikonalar bulunmaktaydı. Orta nefte iç nartekse paralel olarak uzanan iki küçük tünelde Ayasofya’nın en eski mozaikleri bulunur. Bunlardan birinde ilk Hristiyanların kullandıkları, Yunan alfabesinin beş harfini içeren sekiz dilimli daire sembolü bulunur.

Kuzey nefinde ziyaretçilerin ilgisini çeken tek şey, nefin batı ucunda bulunan, beyaz mermerden yapılma kare biçimli sütundur. “Terleyen sütun” olarak adladırılan ve hakkında kaynaksız sayısız rivayet bulunan bu sütun, günümüzde dilek dileme yeri durumuna gelmiştir. Dilek dilemek isteyenler elinin başparmağını sütundaki deliğe sokup elleriyle bir daire çizerler. Delik günümüzde sütuna geçirilmiş bronz bir plakanın ortasında yer almaktadır.

Üst kata çıkılmayıp binadan dışarı çıkılmak istendiğinde iç narteksin güney ucundaki kapıdan çıkılır. Bu çıkış kapısının üzerine yerleştirilmiş bir ayna oraya, çıkış yönünde ilerleyen ziyaretçileri, arkalarında kaldığından göremedikleri bir mozayiğin daha bulunduğu konusunda uyarmak üzere yerleştirilmiştir. 10. yüzyıldan kalma bu mozaik, Fossati tarafından 1849'da keşfedilip tekrar kapatılmış, 1933-1934 yıllarında "Byzantine Institute of America" kurumundan Thomas Whittemore tarafından temizlenmiştir. Mozaikte ortada çocuğuyla birlikte Meryem yer alır. Meryem değerli taşlarla süslü bir tahttadır. Koyu lacivert bir "kaphoriun" giyen Meryem'in başörtüsünün kenarlarında altın yaldızlı bir şerit, alnında ve omuzlarında da altın yaldızlı haç bulunmaktadır. Olgun bir insanın yüz hatlarıyla tasvir edilen "çocuk İsa" sağ eliyle vaftiz işareti yapmakta ve sol elinde "malik olma"yı simgeleyen bir rulo tutmaktadır. Solda Üçüncü Ayasofya’yı inşa ettiren I. Justinianus Meryem'e Ayasofya'nın bir maketini sunar halde tasvir edilmiştir. Bu Ayasofya maketinde kubbenin üzerinde bir haç bulunduğu görülmektedir. Sağda ise Konstantinopolis’in kurususu sayılan Roma imparatoru Büyük Konstantin Meryem'e surlarla çevrili Konstantinopolis’in bir maketini sunar halde tasvir edilmiştir. Adı Bizans alfabesiyle yukarıdan aşağı doğru yazılmıştır. Meryem'in tahtının zeminini oluşturan mozaik taşlarının yapımında gümüş kullanılmıştır.

Çıkışta yer alan, artık kapatılamayan bronz kapı, dünyanın en eski kapılarından biri sayılmaktadır. MÖ II. yüzyıla ait bu kapı Ayasofya’ya Tarsus’taki bir tapınaktan getirilmiştir. Ayasofya’nın zemini Bizans dönemindeki bir depremden sonra bir miktar (30–35 cm) yükseltilmek zorunda kalınmıştır. Bu yüzden bu kapı iptal edilerek yerine yenisi yapılmış, fakat eski kapı başka yere götürülmeyerek orada bırakılmıştır. Bu sayede kapının alt kısmında Ayasofya’nın 6. yüzyıla ait zemini görülebilmektedir.

Üst kata alt kattaki iç narteksin batı ucunda yer alan bir kapıdan geçilerek, irili ufaklı taşlarla “arnavut kaldırımı” tarzında döşenmiş bir rampadan çıkılır. Sarmal bir biçimdeki rampa 7 halka yaparak üst kata ulaşır. Bu rampa imparatoriçenin tahtıyla sarsılmadan taşınmasına merdiven basamaklarına kıyasla büyük bir kolaylık sağlamaktaydı. Rampa duvarlarında yer yer eski tuğla kemerler görülür. Bizans döneminde de Osmanlı döneminde de üst kat daima kadınlara ayrılmıştı. Üst katta da alt katta olduğu gibi,|250px güney (sağda) ve kuzey nefleri bulunur. Bu iki nef birlikte bir "at nalı" biçimini oluştururlar. Güney üst nefine sağda yer alan (alt kattaki narteksin üzerinde bulunan) bir galeriden geçilerek ulaşılır.

Törenleri izlemek üzere Ayasofya’ya gelen imparatoriçe, üst kata çıkarılır, törenleri maiyetindekilerle birlikte, üst katın güney nefindeki "imparatoriçe locası"ndan izlerdi. İmparatoriçe locasından günümüze ulaşan kısımlar mermer başlıklı iki küçük yeşil porfirden yapılma sütun ve zemindeki, imparatoriçenin tahtının konacağı yeri göstermek üzere yerleştirilmiş dairesel yeşil porfir taşından oluşur. Bu yeşil daire, omphalion’daki daireler gibi yapılmıştır. Buradan binanın alt katı ve iç mekânına hakim bir bakış açısı elde edilebilmektedir.

Üst katın neflerinde tavanı kaplayan, insan figürü içermeyen mozaikler Osmanlı döneminde yağmur suyundan tahrip olduğundan, 19. yüzyılda Osmanlı sultanı Abdülmecit bunları onarılmasını emretmişti. Fakat mozaik sanatı 19. yüzyılda unutulmuş bir sanat durumuna geldiğinden İtalyan Fossati kardeşler sultana bunları onaramayacaklarını belirtip, başka bir çözüm önerisinde bulundular: Çok tahrip olan mozaikler sıvayla kaplandı ve altta kalan mozaik motifleri bu sıva üzerine resmedildi. Bazı sütunların üst kısımlarındaki kemerlerde sıvayla kaplanmamış mozaikler halen görülebilir durumdadır. Fakat yer yer nemden dolayı orijinal renklerini kaybetmişlerdir. Ayrıca yer yer dökülen veya altta mozaik olup olmadığı anlaşılmak üzere kasten açılmış sıvalar altından da eski mozaikler görülebilmektedir. Fossati kardeşlerin üst kattaki tavan mozaiklerini kaplamadan önce tüm mozaiklerin kopyalarını kâğıtlara çıkardıkları bilinmekteyse de, yanlarında götürdükleri bu kâğıtların günümüzde nerede oldukları bilinmemektedir.

İmparatoriçe locasının az ilerisinde, üzerlerindeki anahtar kabartmalarından dolayı “cennet ve cehennem kapısı” olarak adlandırılan, vaktiyle bir kapı içerdiği sanılan, duvarlara sabitlenmiş iki mermer blok görülür. Bu bloklar üzerinde yaşam ağacı, balık gibi semboller içeren küçük kabartmalar bulunur. Kilise temsilcileri "synod" adı verilen toplantıların yapılacağı odaya gitmek üzere bu kapıdan geçerlerdi. 

Buradan geçildikten sonra sağ tarafta yer alan duvarda, 12. yüzyıldan kalma (1261'de yapıldığı sanılan), “deisis” ('Δέησις')olarak adlandırılan, İsa'nın Kıyamet Günü insanlık için Tanrı'dan niyaz dilemesini simgeleyen bir mozaik bulunur. Alt kısmı yok olmuş bu büyük mozaikte ortada İsa, sağda Vaftizci Yahya, solda ise Meryem görülür. İsa’nın sağ eli, alt kattaki iç nartekste yer alan mozaikte de görüldüğü gibi, “vaftiz işareti” denilen bir halde tasvir edilmiştir (baş parmağın ucu “kalbe giden yol”la ilişkilendirilen yüzük parmağına temas eder haldedir). Bu mozayiğin muhtemelen diğer çeşitli Ortodoks kiliselerinde taklit edilmeye çalışılan bir özelliği, İsa’nın yüzünün sağ ve sol yarılarının birbirlerinden farklı olarak tasvir edilmiş olmasıdır. Bu fark, sağ ve sol gözlerde de görülür. Bir yapım hatası olmayan bu özellik, Leonardo da Vinci’nin ünlü eserinde de görülmekle birlikte, Ayasofya’daki bu mozaik 12. yüzyılda yapılmış olduğundan Vinci’nin eserinden daha eskidir. Mozayiği yapan sanatçı İsa’nın yüz kısmına öyle bir özellik kazandırmıştır ki, mozaikten Kudüs yönüne doğ