Hagia Sophia beskrives ofte som indbegrebet af byzantinsk arkitektur, men dens design indeholder elementer fra romerske, græske og islamiske arkitektoniske traditioner.
- Byzantinsk indflydelse: Den kæmpe kuppel i midten af Hagia Sophia skaber en følelse af storhed og rummelighed i det indre rum. Et andet kendetegn ved byzantinsk arkitektur er brugen af pendentiver og skævheder til at understøtte den, hvilket muliggør overgangen fra en firkantet base til en cirkulær kuppel.
- Romersk arv: Arkitekterne bag Hagia Sophia, Anthemius af Tralles og Isidore af Milet, trak på deres viden om romersk ingeniørkunst for at skabe en struktur, der både var monumental og funktionel. Indersiden af Hagia Sophia er fyldt med buer, søjler og hvælvinger.
- Græsk æstetik: Arkitekterne brugte marmor og andre ædelstene og metaller til at dekorere den kirke, der er blevet til moské, og som minder om klassisk græsk arkitektur. Derudover understreger proportionerne og symmetrien i Hagia Sophias design harmoni og balance.
- Islamisk indflydelse: Efter den osmanniske erobring i 1453 blev der tilføjet minareter, mihrab (bønneniche) og minbar (prædikestol) til moskéen. Disse træk fremhæver Hagia Sophias betydning som tilbedelsessted for muslimer.