a Hagia Sophia kupola a szerkezet legszembetűnőbb eleme. Annak ellenére, hogy szándékában állt elhagyni az addig felépített épületeket, a Pantheon kupola nagyobb. Mindazonáltal egyedülálló abban a stílusban, hogy egy kupolát egy négyzet alapra helyeznek, amely egyesíti a kupola világi erejét és a kereszténység szellemiségét egy bazilika formájával.

az Anthemius & Isidorus által épített első kupolát körként tervezték. Azonban; kiderült, hogy ellipszis. Amikor a kupola leginkább az 558-as földrengés során omlott össze, Justinianus megbízta ifjabb Isidore-t, akinek szerkezetileg deformált műalkotása a mai napig fennmaradt.

a kupola 31,7 méter átmérőjű és 55,6 méter magas a padlószinttől. Ezt támasztja alá a boltívek között mólók, úgynevezett függők, amelyek egyedülállóak voltak abban az időben.

a napfény, amely a templom körül lebeg, és az aranyozott mozaikokra ragyog, többnyire a kupola alapját körülvevő negyven ablakból érkezik. Az ablakok nemcsak fényforrások, hanem a kupola meghibásodásának riasztása is. Enyhítik a kupola nyomását a függőkre is.

“valóban azt lehet mondani, hogy belsejét nem kívülről világítja meg a nap, hanem az a kisugárzás jön létre benne, a fény ilyen bősége fürdeti ezt a szentélyt. “Procopius, épületek

“…az ívek koronáján kör alakú, lekerekített alakú szerkezet nyugszik; innen mosolyog először mindig a nap fénye… és ezen a kör alakú szerkezeten nyugszik a hatalmas kupola, amely elképesztően gyönyörűvé teszi… ” Procopius, épületek

a kupola talajkeveréke csak habarcsból és téglából áll. Időről időre helyreállítást végeztek a szerkezet megerősítése érdekében.

azt hitték, hogy eredetileg volt egy hatalmas kereszt, később pedig egy mozaik Krisztus Pantocrator amely úgy gondolják, hogy összeomlott egy földrengés. A Fossati restauráció során a Koránból származó verset M. Izzet Efendi írta a kupola közepén.