Los elementos sustentantes son además del muro, pilares y columnas que, en el interior, soportan la gran cúpula central. Ésta está constituida por anillos de ánforas metidas unas dentro de otras, entremezcladas con cemento. De esta manera, al estar hechas las ánforas de barro cocido y ser éste un material ligero, la cúpula es liviana, por lo que no necesita un grueso muro de apoyo ni destacados sistemas de contrapeso para equilibrar las presiones que ejerce la cúpula en todas direcciones. Las columnas tienen el característico capitel bizantino compuesto por una estructura troncopiramidal invertida con cimacio. Alrededor del espacio central bajo la cúpula se encuentra una nave también de forma octogonal, cubierta por unas bóvedas irregulares combinadas. Sobre ella en el piso superior, se sitúa una segunda nave que reproduce la estructura inferior. Con estas características, el espacio interior se presenta dilatado, como en Santa Sofía, ya que cuando el espectador se sitúa bajo la cúpula central, a causa de la existencia de columnas y arcos que disimulan el muro exterior, percibe la sensación de que no hay fin, que el espacio se prolonga. El ímpetu ascensional viene remarcado por la superposición de columnas, tribuna y exedras. La luz contribuye a acentuar esta sensación, desmaterializando el espacio, al incidir sobre los mosaicos del ábside, que pasan por ser los más bellos del arte bizantino, simbolizando el cosmos, el universo.
El exterior en cambio, se nos presenta con simplicidad y claridad arquitectónica, manteniendo un acusado equilibrio entre la vertical y la horizontal, con los volúmenes geométricos articulados de manera escalonada. Los vanos son arcos de medio punto existiendo entre ellos pilastras adosadas al muro. Los efectos polícromos se consiguen por la alternancia entre la piedra y el ladrillo, aunque es de destacar el contraste entre el exterior austero y la deslumbrante decoración interior.
De la decoración interior han desaparecido los mosaicos excepto los del presbiterio. A ambos lados del ábside se encuentran las representaciones del emperador Justiniano con su séquito y de la emperatriz Teodora con el suyo, respectivamente. El Emperador va acompañado por el obispo Maximiano, algunos sacerdotes, dignatarios del imperio y soldados. La Emperatriz aparece con una comitiva de damas y eunucos de la corte. Ambos llevan una serie de ofrendas en sus manos. La composición es similar en las dos escenas, enmarcadas en un rectángulo con dibujos en los bordes a modo de tapiz. Entre las figuras no existen espacios intermedios, lo que provoca apariencia de irrealidad, ya que los fondos son dorados o verdes (colores planos y brillantes), con lo que la acción no se desarrolla en un plano terrenal, carece de marco de referencia concreto. Cada figura aparece claramente delimitada por una línea de perfil en negro, lo que acentúa la dirección vertical que provoca la representación, que es la única línea de tensión que rompe el estatismo de las escenas. Los efectos decorativos se han cuidado mucho, reproduciendo con minuciosidad los detalles de joyas, telas, adornos, etc. La representación contrapone los rostros expresivos, gracias a la intensidad de las miradas con los cuerpos hieráticos, buscando así conscientemente desnaturalizar la escena, para hacer propaganda del estado teocrático, más allá de la simple y común humanidad. Hasta ese momento ningún emperador se había atrevido a retratarse tan cerca del altar, lo que indica el concepto casi divino que tiene de si mismo.
En el ábside está representado Cristo imberbe sentado sobre la esfera del mundo, rodeado por arcángeles, con una serie de objetos vegetales y animales, que también hay que interpretarlos como manifestación divina al formar parte de la creación.
