Створена в далекому XI сторіччі Софія Київська в усі часи захоплювала і продовжує захоплювати людей як видатний витвір мистецтва. Ще давньоруський письменник Іларіон сказав про неї: „Церкви дивна й славна всем округниим странам..."
        Навколо Софійського собору височіли патрональні Ірининська та Георгіївська церкви, кам'яні князівські та боярські палаци, дерев'яні житла киян. Важливе містобудівниче значення зберіг храм у наступні часи — і після навали орд степових кочовиків у грізному 1240 році, коли, пограбований, але вцілілий, він був діючим міським собором; і у XVII столітті, коли на його подвір'ї зводилися дерев'яні монастирські будинки; і у XVIII сторіччі, коли навкруг нього виріс ансамбль кам'яних барочних споруд, що прикрашає Київ і у наш час.
        З Софією Київською пов'язано багато подій політичного, громадського й культурного життя Стародавньої Русі. Тут проходили урочисті церемонії „посаження" князя на київський престол, зустрічі іноземних посланців, укладалися угоди про мир між князями. Тут містилася перша на Русі бібліотека, зібрана Ярославом Мудрим, існувала майстерня художників-мініатюристів і переписувачів книг. Біля стін собору збиралося київське віче. Значення громадського центру зберегла Софія і в наступні сторіччя. Пам'ятного січневого дня 1654 року на площі перед собором кияни вітали історичні рішення Переяславської ради. 
        Перебудови XVII—XVIII століть докорінно змінили первісний вигляд пам'ятки, але під пізнішими барочними нашаруваннями збереглися конструкції XI сторіччя. Основні розміри всередині будівлі (37 х 55 метрів і висота 29 метрів) залишилися давніми. Однак композиційний задум і архітектурні форми споруда були іншими. На східному фасаді виступали п'ять апсид (що свідчило про внутрішню п'ятинефну структуру), з півночі, заходу й півдня собор оточувало два ряди відкритих галерей — двоповерхові внутрішні й одноповерхові зовнішні. Споруду було увінчано тринадцятьма банями напівсферичної форми, вкритими свинцем. На західному фасаді височіли дві асиметрично поставлені сходові вежі для підйому на хори. Східний кінець північної галереї являв собою замкнуте приміщення з невеликою апсидою, де містилася великокнязівська усипальня (тут стояли кам'яні саркофаги Ярослава Мудрого, Всеволода Ярославича, Володимира Мономаха та інших політичних діячів Стародавньої Русі).
        Своєрідної мальовничості зовнішньому вигляду собору надавала відкрита кладка стін — ряди темно-червоного бутового каменю, прошарки тонкої цегли (плінфи) на рожевому цем'янковому розчині.
        Всередині собору в основному збереглися архітектурні форми XI століття. Це — стіни основного ядра будови, дванадцять хрещатих стовпів, що поділяють внутрішній простір на п'ять нефів, стовпи й арки галерей, а також тринадцять бань зі світловими барабанами. Головна баня, що поставлена на перетині поздовжнього й поперечного нефів, освітлює центральний підбанний простір.
        У XVIII столітті над одноповерховими галереями було надбудовано другі поверхи з банями і закладено відкриті арки. Всередині було розтесано вікна у стінах собору, на місці древнього входу зроблено велику арку. Не збереглася західна двох'ярусна потрійна аркада в центральній підбанній частині (аналогічна південній та північній) і стародавні хори над нею. Через це центральний підбанний простір, що мав у давнину форму рівнокінцевого хреста, у західній частині змінив первісний вигляд. Особливу цінність являє настінний розпис Софії Київської XI сторіччя — 260 квадратних метрів мозаїк (зображень, набраних із кубиків різнокольорової смальти) і близько 3000 квадратних метрів фресок, виконаних водяними фарбами по сирій штукатурці. Мозаїки і фрески, що збереглися, — це третина всього живопису, який прикрашав у давнину храм. До XVII століття належать перші відомі поновлення фресок Софії, виконані клейовими фарбами. На рубежі XVII — XVIII сторіч усі стіни собору було оштукатурено й побілено. Поверх цього шару протягом XVIII століття стіни покривали олійним розписом. У XIX сторіччі фрески було розкрито, та їх знову поновили олією, в основному зберігаючи при цьому древній малюнок. У тих місцях, де фрески були втрачені, додали нову штукатурку і живопис. З організацією музею у Софійському соборі проведено великі реставраційні роботи: очищено мозаїки, з фресок знято пізніші олійні нашарування, штукатурку і розпис укріплено. Пізні зображення залишено лише там, де не збереглася древня штукатурка. Тому, окрім мозаїк і фресок XI сторіччя, на стінах собору ми бачимо окремі твори XVII—XVIII століть і роботи XIX сторіччя. Переважно це живопис релігійного змісту, але для нас він цінний своїми художніми достоїнствами — малюнком, колірним вирішенням, композиційними прийомами, передачею внутрішнього світу людини.
        Поєднання мозаїк і фресок у єдиному декоративному ансамблі — характерна риса Софії Київської. Барвисті мозаїки прикрашають головну баню і центральну апсиду, привертаючи увагу людини до вівтарної частини храму. На мозаїках зображено основних персонажів християнського віровчення: у зеніті бані в медальйоні — Христос-Вседержитель, навколо нього — чотири постаті архангелів, з яких збереглася мозаїчною лише одна у блакитному вбранні (інші дописані М. Врубелем 1884 року). У простінках барабана — дванадцять апостолів (мозаїчним уціліло частково зображення Павла). На парусах — чотири євангелісти (найбільш повно дійшло до нас зображення Марка). На стовпах передвівтарної арки розміщено сцену "Благовіщення": ліворуч — постать Гавриїла, праворуч — діви Марії. Понад ними на арках виконано зображення мучеників у медальйонах. Над вівтарною аркою добре збереглася мозаїчна композиція „Деісус" („Моління"). У склепінні головного вівтаря — велична шестиметрова постать Оранти: у середньому регістрі апсиди — багатофігурна композиція "Євхаристія" (символічна сцена причащання апостолів), зверху — "Святительський чин" (постаті святителів і архідияконів).
        У наборі мозаїк використано переважно смальту—сплав скла з солями й окисами металів, однак зустрічаються також шматочки природного каменю. Кубики смальти (розмір яких у середньому 1 кубічний сантиметр) безпосередньо вдавлювалися на стіні в сиру штукатурку. Дослідники вважають, що над їхнім викладанням працювало вісім художників-мозаїстів (імена невідомі). Мозаїки вирізняються яскравістю і колірною насиченістю, їхня палітра нараховує 177 відтінків. Третина всієї площі мозаїк — це золоте тло. На ньому виконано зображення переважно у синіх, сіро-білих і пурпурових тонах. Кожен колір має ряд відтінків (червоно-рожевий — 19, синій — 21, зелений — 34, золотий — 25 тощо). Для мозаїк характерні з одного боку — поєднання колірних плям, що сприймаються на великій відстані (сині шати Оранти на золотому тлі, насичений малиновий престол у центрі „Євхаристії" у поєднанні зі світлим сіро-білим убранням апостолів і синіми хітонами на постатях Христа), з другого боку — складне витончене нюансування кольору в передачі облич, складок одягу тощо. У цьому відношенні особливий інтерес викликає зображення Гавриїла з „Благовіщення".
        Мозаїки вівтаря і головної бані становлять органічну складову частину єдиного ансамблю розпису Софії, решта якого представлена фресками. Фрескові зображення якоюсь мірою збереглися в усіх древніх приміщеннях собору, і в першу чергу на стінах центрального підбанного простору (євангельські сцени). У бокових вівтарях — жертовнику і дияконнику — ми бачимо цикли фрескових композицій, що розповідають про діву Марію (вівтар Іоакима та Анни) і про діяння апостола Петра (вівтар Петра і Павла). 
        Розпис південного вівтаря (Михайлівського) присвячений архангелу Михаїлу, який вважався на Русі покровителем Києва і князівської дружини. Фрески крайнього, північного вівтаря оповідають про святого Георгія — духовного патрона князя Ярослава Мудрого.
        Великий інтерес викликає цикл фрескового розпису, що зберігся на хорах. Це сюжети „Зустріч Авраамом трьох подорожніх", „Гостинність Авраама", "Жертвоприношення Ісаака", „Три отроки в пещі огненній", "Тайна вечеря", „Чудо в Кані Галілейській" тощо.
        Значне місце в розписах собору займають орнаменти: вони обрамовують віконні та дверні прорізи, підкреслюють лінії арок і склепінь, збігають по пілонах і стовпах, панеллю проходять понад підлогою.
        Колірна гама древніх фресок створювалася на поєднанні темно-червоних, жовтих, оливкових, білих тонів та блакитного тла. Для розпису Софії характерна чіткість композиції, виразність образів, барвистість, органічний зв'язок з архітектурою. Весь ансамбль стінопису Софії Київської за своїм змістом був підпорядкований єдиному задуму — пропаганді християнського віровчення й утвердженню феодальної влади. Разом з тим розпис головного храму держави повинен був показати велич Київської Русі, її міжнародне визнання, роль київського князівського дому в політичному житті Європи. Тому в Софії значне місце відведено світським композиціям. На трьох стінах центрального нефу, напроти головного вівтаря, було написано сімейний портрет засновника собору князя Ярослава Мудрого. У центрі цігї величезної композиції містилося зображення Христа з постатями княгині Ольги та князя Володимира. З обох боків до цієї групи підходили Ярослав, його дружина княгиня Ірина, їхні сини й дочки. Очолював процесію Ярослав, який тримав у руках модель собору. Тут Ярослав — будівничий міста і засновник митрополичого храму — виступав як продовжувач справ своєї прабабки Ольги та батька Володимира, які багато зробили для об'єднання слов'янських племен, зміцнення Київської Русі та установлення рівноправних відносин з Візантією та іншими країнами. Члени сім'ї Ярослава також відігравали значну роль у політичному житті Європи: дружина князя була дочкою шведського короля, два його сини були одружені з візантійськими принцесами, дочки були королевами Франції, Норвегії, Угорщини. За словами письменника того часу Іларіона, Русь була „ведома й сльішима єсть всеми четьірьми конци земли". 
        На жаль, до нашого часу від цієї фрескової композиції уціліли лише постаті дітей Ярослава на південній і частково на північній стінах. Про решту зображень розповідає малюнок голландського художника А. ван Вестерфельда, який бачив фреску в середині XVII століття.
        Та ж сама смислова лінія продовжується у розпису двох сходових веж собору. В наш час вчені довели (доктор історичних наук С. О. Висоцький), що фрески веж оповідають про важливу політичну і культурну подію в житті Київської Русі середини Х сторіччя — про приїзд до столиці Візантії київської княгині Ольги і про шану, яку виявив їй імператор Костянтин Багрянородний. У північній та південній вежах живописна оповідь починається знизу і відповідно продовжується в міру сходження вгору.