Через сорок дней после того, как восстание в Нике утихло, он начал строительство новой Святой Софии, посвященной не какому-либо святому с таким именем, а Святой Премудрости, или Творческому Логосу, Самого Бога. Из Траллеса в Малой Азии и из ионийского Милета он вызвал Антемия и Исидора, самых известных из живых архитекторов, для планирования и руководства работами. Отказавшись от традиционной базиликальной формы, они разработали проект, центром которого должен был стать просторный купол, опирающийся не на стены, а на массивные опоры, и подкрепленный полукуполом с обоих концов. Было задействовано десять тысяч рабочих, потрачено 320 000 фунтов золота ($134 000 000), что полностью опустошило казну. Губернаторам провинций было приказано прислать в новую святыню лучшие реликвии древних памятников; мрамор дюжины видов и оттенков был привезен из дюжины областей; золото, серебро, слоновая кость и драгоценные камни были влиты в отделку. Юстиниан сам принимал активное участие в проектировании и строительстве, а также в решении технических проблем (как рассказывает его презрительный поклонник). Одетый в белые льняные одежды, с посохом в руке и платком на голове, он день за днем следил за ходом работ, побуждая рабочих выполнять свои задачи грамотно и в срок. Через пять лет и десять месяцев строительство было завершено, и 26 декабря 537 года император и патриарх Менас возглавили торжественную инаугурационную процессию, вошедшую в великолепный собор. Юстиниан прошел один к кафедре и, подняв руки, воскликнул: "Слава Богу, который счел меня достойным совершить столь великое дело! О Соломон! Я победил тебя!"
План здания представлял собой греческий крест размером 250 на 225 футов; каждый конец креста был покрыт небольшим куполом; центральный купол возвышался над квадратом (100 на 100 футов), образованным пересекающимися руками; вершина купола находилась на высоте 180 футов над землей; его диаметр был на 100 футов-32 меньше, чем у купола Пантеона в Риме. Последний был залит бетоном цельным куском; купол Святой Софии был сделан из кирпича в виде тридцати сходящихся панелей - гораздо более слабая конструкция.* Отличие этого купола заключалось не в размерах, а в опоре: он опирался не на круглую конструкцию, как в Пантеоне, а на маятники и арки, которые служили посредниками между круглым ободом и квадратным основанием; никогда еще эта архитектурная проблема не была решена более удовлетворительно. Прокопий описал купол как "произведение восхитительное и ужасающее... казалось, что он не опирается на каменную кладку под ним, а подвешен на золотой цепи к высоте неба".37
Интерьер представлял собой панораму светящегося убранства. Мрамор разных цветов - белый, зеленый, красный, желтый, пурпурный, золотой - делал мостовую, стены и двухъярусные колоннады похожими на поле цветов. Изысканная резьба по камню покрывала капители, арки, эспадрильи, молдинги и карнизы классическими листьями аканта и виноградной лозы. Невиданные по размаху и великолепию мозаики смотрели со стен и сводов. Сорок серебряных люстр, свисающих с обода купола, помогали освещать церковь так же, как и многочисленные окна. Ощущение простора создавали длинные нефы и приделы, а также бесстолпное пространство под центральным куполом; металлические кружева серебряных перил перед апсидой и железных перил на верхней галерее; кафедра, инкрустированная слоновой костью, серебром и драгоценными камнями; серебряный трон патриарха; шелково-золотой занавес над алтарем с фигурами императора и императрицы, принимающих благословение Христа и Марии; сам золотой алтарь из редкого мрамора и священные сосуды из серебра и золота: Это пышное украшение могло бы оправдать Юстиниана в предвосхищении хвастовства могольских шахов - что они строят как гиганты, а отделывают как ювелиры.