Ayasofya’nın mimarisindeki en önemli yenilik, ölçülerinin bir kilise için alışılmamış büyüklükte oluşu, orta mekâna hâkim olan kubbenin büyüklüğü ve yüksekliğidir. Ana mekânı örten kubbenin zeminden yüksekliği 55.60 m, çapı ise kuzey güney doğrultusunda 31,87. m, doğu batı doğrultusunda ise 30.86 m.dir. Ayasofya inşa edilirken, mimarlar tarafından binanın yapımında mermer, taş ve tuğla kullanılmış, kubbenin depremlerde kolay yıkılmaması için Rodos toprağından özel olarak üretilen, hafif ve sağlam tuğlalar kullanılmıştır.
İlk yapıldığında basık ve yayvan biçimdeki kubbe, Ağustos 553 ve Aralık 557 yılında meydana gelen depremlerde büyük kubbe ve doğu yarım kubbe çatlamış, 7 Mayıs 558 de ise ana kubbenin doğu kısmı çökmüştür. Kubbenin onarımı yapının baş mimarlarından İsidoros’un yeğeni Genç İsidoros tarafından yapılmıştır. İsidoros kubbeyi dışarıdan payandalarla destekleyen alçak bir kasnak ekleyerek, kırk kaburgayla desteklediği ve kırk pencere ile hafiflettiği kubbenin yüksekliğini de 7 metre arttırmış ve böylece kubbeyi daha hafif ve daha küçük duruma getirerek çözüme ulaşmıştır.
Ayasofya 859 yılında büyük bir yangın, 869 yılında ise bir deprem geçirmiştir. 989 yılının Ekim ayındaki depremde ise binanın büyük kubbesi yıkılarak, yeniden onarılmıştır. 1344 ve 1346 yıllarında meydana gelen depremlerde de kubbenin bir kısmı ile kemerin bazı bölümleri yıkılmış olup yeniden onarımı yapılmıştır.
Osmanlı Döneminde Ayasofya’da Fatih Sultan Mehmed tarafından başlatılan onarım çalışmaları daha sonraki Sultanlar tarafından da devam ettirilmiştir. Ayasofya’daki en önemli onarımlar Sultan Abdulmecid’in (1839–1861) emri ile 1847–1849 yılları arasında İsviçreli Fossati Kardeşler tarafından yapılmıştır. Bu çalışmalar kapsamında kubbede görülen büyük çatlaklar doldurulmuş ve kubbe kasnağı demir çember ile sarılarak emniyete alınmıştır. Onarımlar sırasında dönemin en önemli hattatlarından Kazasker Mustafa İzzet Efendi tarafından, ana kubbenin 11,30 m. çapındaki alanına Kuran-ı Kerim’in Nur Sure’sinin 35. ayeti yazılmıştır.
