Собор был торжественно освящен 27 декабря 537 г. Пышное величие собора, его грациозный и огромный купол поразили воображение современников. Вот что писал придворный византийский историк Прокопий, оставивший нам яркое описание многих событий и сооружений того времени: «Этот храм являет собой чудесное зрелище. Тем, кто его видит, он кажется исключительным, тем, кто о нем слышит — невероятным. Он взмывает ввысь, словно до самого неба, выделяясь среди других зданий, как ладья на бурных волнах моря… Он весь полон света… и можно было бы сказать, что не снаружи идет это освещение, а само оно рождает этот дивный блеск, так чудно светел этот храм». Этот храм по праву стали называть просто Великой Церковью.
Ослепительное великолепие собора вызывало восхищение императора. Недаром при открытии собора он, высоко подняв руки и сначала воздав благодарность Богу, воскликнул с гордостью: «О Соломон! Я превзошел тебя!», имея в виду древний Иерусалимский храм. Празднества по случаю освящения храма продолжались 15 дней. Император осыпал деньгами население столицы. Было заколото огромное количество скота и роздано народу хлеба.
С внешней стороны храм выглядел очень скромно, но поражал внутренним убранством. Поражал в первую очередь огромным пространством, где купол нависал подобно небесному своду и прекрасной освещенностью. Лишь при позднейших переделках заузили оконные проемы, что придало интерьеру некую мистическую таинственность. Впечатление необыкновенного пространства создавалось также за счет применения мозаики, покрытия всей поверхности купола, сводов и арок орнаментами, иконами и картинами на библейские темы на золотом фоне. 107 колонн из ценных пород камня поддерживали своды храма. Цифра эта имела магический смысл: каждая колонна несла имя христианского святого. Врата были изготовлены из кедрового дерева, с инкрустацией сюжетов из слоновой кости и янтаря. А центральные двери, по византийскому преданию, изготовлены были из остатков Ноева ковчега. Все священные богослужебные предметы (чаши и сосуды) были изготовлены из чистого золота, также зачаровывая своим блеском. В золотых переплетах были и книги Священного Писания.
Именно в Святой Софии на Божественной литургии оказались послы русского князя Владимира (X в.), которые, пораженные красотой службы, неземным величием и богатством храма, позднее рассказывали, что они не понимали, «пребывают они на земле или на небе».
Перед собором когда-то располагался огромный, обнесенный колоннадой, двор атриум, с фонтаном в центре, как это было свойственно раннехристианской архитектуре. Центральный вход в храм, называемый Огеа Porta, был с западной стороны, но использовался он лишь во время больших праздников, да и то только император и его свита имели право шествовать через него.