de koepel van de Hagia Sophia is het meest opvallende element in de structuur. De koepel van Pantheon is groter, ook al was het de bedoeling om de tot dan toe gebouwde gebouwen achter te laten. Niettemin, het is uniek in een stijl van het zetten van een koepel op een vierkante basis die de seculiere kracht van een koepel en de spiritualiteit van het christendom combineert met een basiliek vorm.

De eerste koepel, gebouwd door Anthemius & Isidorus was gepland als een cirkel. Het bleek echter een ellips te zijn. Toen de koepel grotendeels instortte tijdens een aardbeving in 558, gaf Justinianus Isidoor de Jongere de opdracht wiens structureel vervormde kunstwerk nog steeds bestaat.

de koepel is 31,7 meter in diameter en 55,6 meter hoog van vloerniveau. Het wordt ondersteund door de bogen tussen pieren, genaamd pendentives die uniek waren in die tijd.

het zonlicht dat rond de kerk zweeft en schijnt op de vergulde mozaïeken komt meestal binnen vanuit de veertig ramen die de basis van de koepel omringen. De ramen zijn niet alleen een lichtbron, maar ook een alarm van een storing in de koepel. Ze ontspannen ook de druk van de koepel op de pendentieven.”Inderdaad zou men kunnen zeggen dat het binnenste niet van buiten verlicht wordt door de zon, maar dat er straling ontstaat binnenin, zo’ n overvloed aan licht baadt dit heiligdom. “Procopius, gebouwen

“…op de kronen van de bogen rust een ronde structuur, afgerond van vorm; het is van daaruit dat het daglicht altijd eerst lacht… en rustend op deze cirkelvormige structuur maakt de enorme koepel het buitengewoon mooi…” Procopius, gebouwen

de bodemmengsel van de koepel bestaat alleen uit mortel en baksteen. Van tijd tot tijd zijn restauraties gedaan om de structuur te versterken.

men geloofde dat er oorspronkelijk een enorm kruis was en later een mozaïek van Christus Pantocrator die waarschijnlijk is ingestort door een aardbeving. Tijdens de Fossati restauratie, werd een vers uit de Koran Inscript door M. Izzet Efendi in het midden van de koepel.