По своему общему решению собор восходил к византийскому типу крестовокупольного храма, основу которого составляют прямоугольный объем и внутренние опоры, вычленяющие центральное крестообразное пространство.
Прообразом для новгородского собора послужила София Киевская – главный храм Древней Руси, возведенный в 1017–1037 годах. Оба сооружения – пятинефные, окружены галереями и увенчаны группами световых куполов. Но мастера, создавшие новгородский собор, по-своему переосмыслили традиционную композиционную схему. В отличие от киевского памятника здесь всего шесть глав и одна лестничная башня, галереи достигают значительной высоты, и вся композиция отличается большей собранностью и устремленностью ввысь.
Монументальность собора подчеркнута крупным масштабом, компактностью объемов, ясной очерченностью силуэта. Пластическая выразительность внешнего вида основана на сочетании прямоугольных и цилиндрических объемов, прямых и полуциркульных линий. Свободная прорисовка контуров, пространственный размах, живописность силуэта сродни северной природе, которая, безусловно, влияла на представление новгородских зодчих о том, как должен выглядеть истинно русский храм.
В облике Софии нет декоративных, конструктивно неоправданных деталей – даже в построении фасадов. Сложный ритм лопаток соответствует расположению внутренних столбов, в то же время лопатки играют роль контрфорсов, то есть вертикальных выступов стены, укрепляющих арки.
Цилиндрическим сводам отвечают дугообразные завершения верхних частей стен, подкупольному пространству – широкое членение по оси средней главы, а лестничной башне – мощный массив у юго-западного угла.
Одновременно с пятинефным ядром возводились открытые одноэтажные галереи, которые усиливали пирамидальность композиции. В XI столетии галереи были заложены и надстроены, превратившись в наружные стены собора.
В целом Софийский собор – блестящий образец строительного искусства. При высоте 20 метров его стены имеют всего метр толщины (у меньших по размерам новгородских сооружений XII в. стены более массивны). В древности собор, основание которого на полтора метра скрыто землей, был еще выше и стройнее. Строилось здание из местных материалов – серого плитняка и красноватого известняка. Камни отесывались, но не были тщательно обработаны. Кладка стен, не скрытая первое время побелкой, напоминала богатую по оттенкам мозаику с живым фактурным рисунком. Впечатление многокрасочности дополняли выложенные из плоского кирпича своды (плинфы) и оконные перемычки, а также розовый цемяночный раствор с кирпичной крошкой.
Главный вход в Софию украшают Сигтунские врата – редчайший памятник романского искусства. Врата эти были одним из военных трофеев Новгорода Великого. Выполненные в XII в. северо-германскими мастерами Риквином и Вайсмутом, они были вывезены из древней шведской столицы Сигтуны и собраны русским мастером Авраамом. Врата представляют собой своеобразный скульптурный иконостас. Створы врат разделены на двадцать шесть ячеек с отлитыми из бронзы рельефными композициями на библейские и евангельские сюжеты. В этом сложном ребусе помогают разобраться надписи, вырезанные на латинском и русском языках. Причудливо изломанным фигурам даны произвольные пропорции, на лицах застыла архаическая улыбка, ритмичным орнаментом ложатся стилизованные складки одежд. Совершенно иначе решено изображение кентавра Полкана в правом нижнем углу врат. Лаконизм и обобщенность форм, великолепная передача движения говорят о незаурядном таланте новгородских мастеров.
Интерьер Софийского собора монументален и величествен, как и его фасады. Ряды массивных столбов расчленяют внутреннее пространство на широкий средний и узкие боковые нефы, к которым примыкают закрытые галереи. Сложное взаимодействие «пространственных ячеек» рождает постоянную смену зрительных впечатлений. Боковые нефы, которые первоначально, до поднятия уровня пола, были значительно выше, подготавливают взлет центрального подкупольного пространства. Здесь все подчинено этому движению: и бег линий крестчатых столбов, плавно переходящих в арки, и мерное убывание горизонтальных членений, и узкие проемы окон, сквозь которые льются потоки света. Угловая лестница ведет на хоры, или полати, предназначавшиеся для князя и придворной знати. Позади хора находилась ризница и книгохранилище.
Необычна и цветовая гамма интерьера. Стены, столбы и своды покрывал гладкий слой розоватого цемяночного раствора, но целые участки каменной и кирпичной кладки оставались открытыми, подчеркивая материал сооружения. Украшали собор лишь отдельные живописные композиции – «иконные фрески».