kuppelen af Hagia Sophia er det mest slående element i strukturen. Selvom det blev lavet af en intention om at efterlade bygningerne, der var sammensat indtil den tid, er pantheons kuppel større. Ikke desto mindre er det unikt i en stil med at sætte en kuppel på en firkantet base, der kombinerer den sekulære magt i en kuppel og kristendommens spiritualitet med en basilikaform.

den første kuppel bygget af Anthemius & Isidorus var planlagt som en cirkel. Imidlertid; det viste sig at være en ellipse. Da kuplen kollapsede mest under jordskælv i 558 bestilte Justinian Isidore den yngre, hvis strukturelt deformerede kunstværk overlever stadig i dag.

kuplen er 31,7 meter i diameter og 55,6 meter høj fra gulvniveau. Det understøttes af buerne mellem moler, kaldet pendentives, som var unikke på disse tidspunkter.

sollyset, der flyder rundt om kirken og skinner på de forgyldte mosaikker, kommer mest ind fra de fyrre vinduer, der omgiver kuppelens bund. Vinduerne er ikke kun en kilde til lys, men også en alarm for en sammenbrud i kuplen. De slapper også af kuppelens tryk på pendentiverne.

” man kan faktisk sige, at dets indre ikke er oplyst udefra af solen, men at udstråling opstår i det, sådan en overflod af lys bader denne helligdom. “Procopius, bygninger

“…på kronerne af buerne hviler en cirkulær struktur, afrundet i form; det er derfra, at dagens lys altid smiler først… og hviler på denne cirkulære struktur den enorme kuppel gør det overordentlig smuk…” Procopius, bygninger

jordblandingen af kuplen består af kun mørtel og mursten. Fra tid til anden er der foretaget restaureringer for at styrke strukturen.

man troede, at der oprindeligt var et stort kors og senere en mosaik af Kristus Pantocrator, som menes at have kollapset i et jordskælv. Under Fossati restaurering, et vers fra Koranen blev inskripteret af M. Iset Efendi i midten af dome.