şmaları yapan ve sultandan restorasyon sırasında keşfedilebilecek mozaikleri belgeleme iznini alan Fossati kardeşler, mozaiklerin sıvalarını kaldırıp desenlerini belgelerine kopyaladıktan sonra mozaikleri tekrar kapatmışlardır. Bu belgeler günümüzde kayıptır. Buna karşılık, o yıllarda Alman hükümetince onarım için gönderilen mimar W. Salzenberg bazı mozaiklerin desenlerini de çizmiş ve yayımlamıştır.

Sıvayla kaplı mozaiklerin büyük bir kısmı 1930’larda "Byzantine Institute of America" adlı kurumun bir ekibi tarafından açılmış ve temizlenmiştir. Ayasofya’nın mozaiklerinin açılması ilk kez 1932’de "Byzantine Institute of America" kurumunun başındaki Thomas Whittemore tarafından gerçekleştirilmiş olup, ilk gün ışığına çıkarılan mozaik "imparator kapısı" üzerindeki mozaik olmuştur.

Doğudaki yarım kubbe üzerindeki sıvanın bir kısmının bir süre önce düşmesi sayesinde bu yarım kubbeyi örten sıvanın altında mozaiklerin bulunduğu anlaşılmıştır.

Ayasofya mimari yönden incelendiğinde orta nef denilen büyük bir orta mekân, kuzey ve güneyde yer alan iki yan nef, doğu ucunda yer alan absid ve batı kısmında kapıların yer aldığı iç ve dış nartekslerden meydana gelmiştir. 7.500 formula_1’lik bir yüzölçümüne sahip Ayasofya iki katlı bir yapıdır.

Binaya batı kısmındaki, Bizans döneminde atrium denilen avlunun bulunduğu kapılardan girilir. Buradaki, dış nartekse açılan ana kapıdan girmeden önce, solda görülen kalıntılar A.M. Schneider tarafından sürdürülen kazılarda ortaya çıkarılmış İkinci Ayasofya’ya ait kalıntılardır.

Ana kapıdan girilen ilk galeri "dış narteks" olarak adlandırılır, "çapraz tonoz" örtülü dokuz birimli bir galeridir. Buradan da iç narteks denilen ikinci galeriye 5 kapı açılır.

İç nartekste tavan mozaiklerle kaplıdır. Mozaiklerden sarı renkte parlayanların yapımında altın kullanılmıştır. Duvarlar çeşitli ülkelerden ve Anadolu'nun çeşitli kentlerinden getirilme dalgalı mermer levhalarla kaplıdır. Bu dalgalı mermer levhalar duvarlara sabitlenmeden önce ikiye kesilmiş ve duvarlara yan yan öyle sabitlenmiştir ki, katlanıp mürekkeplenen bir kağıdın açıldığında gösterdiği gibi, ilginç bir simetri gösterirler. Günümüzde içinde elektrik ampulları olan yağ lambası avizeleri cami dönemine aittir. 

İç narteksten ana nefe (ana salona) 9 kapı açılır. Ana salona açılan ortadaki ana kapıya, yalnızca imparatora mahsus olduğundan (yalnızca imparator tarafından kullanıldığından) "imparator kapısı" adı verilir. Bu kapının üst kısmındaki duvarda (tympanum) 9. yüzyıldan kalma bir mozaik bulunur. Bu mozaikte ortada İsa, sağ madalyonda Cebrail, sol madalyonda Meryem görülür. Sol alt kısımda görülen sakallı kişi Bizans imparatorlarından VI. Leon’dur. Ortodoksluk geleneğinde en fazla üç kez evlenilebilmesine karşın erkek çocuğunun olabilmesi için dört kez evlenmiştir. Bu yüzden İsa’dan özür diler vaziyette, secde eder şekilde tasvir edilmiştir. İsa’nın elindeki Kitab-ı Mukaddes’te İsa’nın Yuhanna İncili’ndeki bir sözü yazılıdır: “"Size selamet olsun! Ben evrenin nuruyum."” İlk kez W. Salzenberg tarafından yayımlanmış olan bu mozaik 18. yüzyıla dek kapatılmamıştır.

Ayasofyanın ana mekânı paye ve sütunlarla üç nefe ayrılmış durumdadır: Orta nef (naos, ana salon) güney nef (ana nefin sağında) ve kuzey nef (ana nefin solunda). Sağdaki güney nefinde de tavan mozaiklerle kaplıdır. Bu mozaiklerde ikonaklazma dönemine özgü semboller göze çarpar. Bunlardan ikisi dört balık ve küçük karelerde yer alan svastika sembolleridir.

Bu güney nefinde I. Mahmut Kütüphanesi bulunur. Kütüphanenin görülebilen odası Osmanlı sultanının namaz kılmadan önce Kur’an okuduğu odadır. Odadaki rahleler sedef işlemeli olup duvarlar İznik fayanslarıyla kaplıdır. Odanın tavan ve zemini orijinal değildir. Odada ayrıca Kur'an'ın saklandığı tahta mahfaza bulunur.
Nefin doğu ucuna doğru soldaki duvarda üzerinde iki yunusu ve Poseidon’un trident olarak bilinen yabasını içeren bir taş işlemesi görülür. Bu, Bizans rahiplerinin, Hristiyan olmalarına rağmen, bir pagan ilaha ait unsuru kiliseye sokabilecek derecede eski Yunan kültürü etkisi altında kalmış olmalarını gösteren bir örnek olarak değerlendirilebilir.

Nefin doğu ucunda üç çeşit sütun görülür. Bunlardan kırmızı porfir taşından yapılma olanları Mısır’dan getirilmiştir. Yeşil olanları ise Yunanistan’dan getirilmiştir. Binada kullanılan beyaz mermerlerin kökeni genellikle Marmara Adası’ndaki mermer ocaklarıdır. Batı dillerindeki mermer sözcüğünün kökeni "Marmara"dır. Ayasofya’da toplam 107 sütun bulunmaktadır, bunlardan 40’ı alt katta, 67’si üst kattadır. Bu sütunların hemen hemen hepsi yekpare (monolit) olup, Ayasofya’dan da eskidirler, çünkü imparatorluk topraklarındaki eski tapınaklardan getirilmişlerdir. Ayasofya’nın en büyük sütunlarının uzunlukları 20 m civarında, kalınlıklarının yarıçapı ise 1,5 m’dir. En ağırları 70 ton ağırlığındadır. Sütun başlıkları Bizans stili gösterirler; sütun başlıklarından bazılarında küçük bir daire ve harflerden oluşan I. Justinianus'un arması görülür. Bu nefin doğu ucundaki yeşil sütunun yanındaki duvarda bir el izi bulunur, kime ait olduğu bilinmeyen bu el izi hakkında çeşitli rivayetler bulunmaktadır.

Güney neften mihraba geçilirken, zeminden yaklaşık 3 m kadar yükselen, balkonu andıran mermerden yapılma bir yapı göze çarpar. Bu, Osmanlı döneminde yapılmış, Ayasofya cami iken her yıl İslam peygamberi Muhammed’in doğum gününde (mevlit kandilinde) mevlit okunan müezzin mahfilidir.
Mahfilin hemen yanında zeminde, girilmemesi için kenarları çitle çevrilmiş kare biçimli bir alan göze çarpar. Burası bilinmeyen bir nedenle Bizanslılar’ca dünyanın merkezi olarak kabul edilirdi. Yunanca’da “Yer’in Göbeği ” anlamında, omphalion (Delf'te omphalos)olarak adlandırılan ve Bizanslılar’ca kutsal sayılan bu yerde kimilerine göre Ayasofya’nın inşa edilmesinden önce bir tapınak bulunmaktaydı. Kimilerine göre bu yer "ley hatları"nın bir kavşak noktasıydı.

Kutsallığından ötürü Bizans imparatorlarının taç giyme törenleri de burada yapılmaktaydı. Tören sırasında siyasi ve dinî otoriteleri temsil eden kişilerin her birinin durması gereken konumlar bu kare biçimli alan içine daireler oluşturacak biçimde döşenmiş renkli taşlarla belirlenmiştir. Daireleri oluşturan taşlarda kırmızı, sarı, yeşil, turuncu ve gri renkler göze çarpmaktadır. Toplam sayıları 16 olan bu dairelerden en büyüğü ortadaki olup, muhtemelen imparatorun duracağı yeri gösteren dairedir. 

Binanın doğu kısmının ucu dışarı taşkın durumda olup, üstü yarım kubbeyle örtülü bir apsitle son bulur. Üçüncü Ayasofya, diğer eski Ortodoks kiliseleri gibi, geleneksel olarak Kudüs’e yönelik olarak inşa edilmiştir ve diğer eski Ortodoks kiliselerinde olduğu gibi absidinin ekseni inşa edildiğinde tam olarak Kudüs yönünü göstermekteydi. 

İstanbul’a nazaran Kudüs yönü ile Mekke yönü arasında pek büyük olmayan (birkaç derecelik) bir fark bulunmaktadır. Bu yüzden İstanbul’da camiye çevrilen kiliselerde kıble yönünü göstermek üzere kilisenin absidi içine yapılan mihrap absidin iyice sağına inşa edilirdi. Fakat Ayasofya’da mihrap apsitin çok sağına değil, hafifçe sağına inşa edilmiştir. Çünkü Ayasofya binası tam olarak olması gereken yönde değildir, yani hafifçe Mekke yönüne doğru bir kayma göstermektedir. Bu bir yapım hatası olamayacağına göre, binanın zaman içerisinde, tektonik hareketlerden dolayı hafifçe bir kayma geçirmiş olması düşünülebilir. Cebrail'in parmağıyla Ayasofya’yı çevirdiğine ilişkin olarak çıkarılmış söylentiler bu husustan kaynaklanmıştır.

Apsitin en üst kısmında, 9. yüzyıla tarihlenen, kucağında çocuğu İsa'yı taşıyan, taht üzerinde tasvir edilmiş bir Meryem mozaiği yer alır. Bunun sağında aynı yüzyılda yapılmış, Cebrail'i tasvir eden bir mozaik bulunur. Meryem mozaiğinin solunda ise, bir deprem sırasında düşmüş bir başka melek mozaiği, muhtemelen Mikâil'i tasvir eden bulunmaktaydı.

Mihrabın her iki yanında 16. yy.’da Kanuni Sultan Süleyman fethettiği Macaristan’daki bir kiliseden getirttiği iki dev kandil bulunmaktadır. Apsitte Bizans döneminde yıkılan pencerelerin yerini Osmanlı döneminde renkli camdan yapılma (vitray), ayetlerle süslü pencereler almıştır. Apsit çevresinde Osmanlı döneminde eklenen yapılar yoğunluk kazanmaktadır. Örneğin apsitin sağında mermerden yapılma minber, solunda Osmanlı sultanının namaz kıldığı hünkar mahfili yer alır. Osmanlı sultanı mahfile özel olarak yapılmış bir galeriden ulaşmaktaydı.

Apsit duvarlarında Kur'an ayetlerini içeren çerçeveler ve içine Allah, Muhammed, Dört Halife ve Halife Ali’nin oğulları Hasan ve Hüseyin’in isimleri yazılı olan sekiz yeşil daire bulunur. Bu dairelerin tahtadan yapılma çok daha büyükleri de ana nefin (ana salonun) iç mekânını kuşatacak şekilde asılmışlardır. İsimler her biri 7,5 m yarıçapında olan bu 8 dev panoya hat sanatı tarzında yazılmıştır. Bunlar Kazasker Mustafa İzzet Efendi’nin (1801–1877) eserleridir. 1930'lu yıllarda restorasyon çalışmaları sırasında yerlerinden indirilen bu panolar 1951’de A. Menderes tarafından yeniden yerlerine koydurulmuştur.

Orta nef ya da iç mekân karmaşık bir yapıya sahiptir. 100 x 70 m ölçüsündeki binanın 74.67 x 69.80 m ölçüsündeki orta nefinin (ana salonun) ortasında ağırlığı dört paye (ayak) üzerine oturtulmuş, payelere geçişin pandantiflerle sağlandığı bir ana kubbe yer alır. Ayasofya’nın devrim niteliği taşıyan kubbesi birçok sanat tarihçisinin, mimarın mühendisin özel ilgisini çekmiştir. Daireden dikdörtgene geçiş içbükey üçgen pandantiflerle sağlanır. Bu tür yapılarda daha önce kullanılmamış bu pandantifler estetik bakımdan şık bir şekilde, daireden, yani kubbeden payelerce oluşturulan kare biçimine, hatta yarım kubbeler de sisteme dahil sayılırsa, dikdörtgen biçimine geçişi sağlarlar. Böylece, kubbe pandantifler vasıtasıyla dört büyük kemer üzerine oturur. Bu kemerler de Osmanlı döneminde Mimar Sinan’ın talimatlarıyla istinat duvarlarıyla desteklenmiştir.

Tarih boyunca tamirat gördüğünden kubbe dairesel düzgünlüğünü kaybetmiş ve elips biçimine yaklaşmıştır. Bu yüzden farklı uzunlukta iki yarıçapı vardır. 55.60 m yüksekliğin