Император Юстиниан приказал немедленно восстановить сожженную святыню на прежнем месте, но с гораздо большим размахом и значительно лучшим оборудованием. Строительство было начато необыкновенно быстро — уже 23 февраля 532 года, что лестно свидетельствует о мастерстве Анфимия, которому достаточно было неполных двух месяцев для создания проекта и для подготовки к реализации этого проекта. Строительство продолжалось, о чем также свидетельствуют летописи того времени — 5 лет, 10 месяцев и 10 дней. Император Юстиниан в течение всего строительства внимательно следил за его ходом и лично контролировал. Сохранилось восторженное описание храма, относящееся к периоду его постройки, составленное неким Прокопием. Благодаря ему, мы относительно точно знаем, как первоначально выглядел храм св. Софии — главная святыня восточной Римской империи и одновременно придворная святыня византийских императоров. В результате труда двадцати тысяч рабочих, продолжавшегося более пяти лет, было создано великолепное произведение, гармонично соединяющее в себе существовавшие до того времени традиции архитектуры и строительства Запада и Востока. В целом форма этого строения была подчинена огромному куполу. Именно благодаря этому куполу, размахом 32,9 м, храм св. Софии занимает исключительную позицию в истории строительства и архитектуры. Дело не только в величине купола, поскольку купола с примерно таким же размахом были построены тремя столетиями раньше в Пантеоне и Риме. Проблема заключается и том, что до времени создания Анфимием этого произведения, полусферические купола сооружались только над ротондами, т. е., над округлыми строениями тогда как здесь, в храме св. Софии, впервые в истории строительства, такой купол воздвигнут на строении в форме квадрата. Вот как Анфимий достиг этого: между четырьмя массивными, установленными в квадрат столбами, были перекинуты арки, обозначающие его бока. Промежутки между соседними арками были заполнены сводами в форме надутых треугольных парусов. Верхние надутые ребра этих выпуклых парусов создали и соединение форму круга, на который легло круглое основание купола. Именно тогда впервые была решена задача прикрытия квадратного строения полусферическим куполом.
Снаружи святыня представлялась взору как нагромождение глыб больших размеров, похожих своей поверхностью друг на друга. Вся сила грандиозности строения была заключена в его интерьере. К восприятию его великолепия зрителя вначале подготавливал окруженный колоннадой двор, а затем установленные поперечно два привратия, из которых внутрь храма вели девять дверей.
Огромные каменные массы стен, столбов и сводов храма абсолютно не создавали впечатления массивности, благодаря наличию многочисленных ниш, углублений, окон, аркад и баллюстрад. Легким и воздушным казался даже сам огромный купол, возносящийся на высоту более 50 метров. Основание купола окружал венец окон, через которые внутрь храма проникал дневной свет, создавая впечатление воздушности: казалось, что купол висит в воздухе.
Прекрасным дополнением к необыкновенным очертаниям конструкций строения являлось декоративное оформление его интерьера. Оно создавало из святыни настоящее сокровище византийского искусства. Стены, своды и пол были покрыты плитами различных видов камня (гранита, порфира, и разных оттенков мрамора), цветной мозаикой на золотом фоне, фресками и ажурными орнаментальными барельефами. Для декоративной отделки интерьера использованы были многочисленные сорта редкого дерева, различных благородных металлов (между иными — золото и серебро), слоновой кости, а также многих драгоценных и полудрагоценных камней. На темном фоне свода центрального купола и остальных полу-куполов, а также ниш и углублений сияли золотые и серебряные звезды.
Все это производило впечатление необыкновенного великолепия этого единственного в своем роде интерьера. Анфимий и Исидор имели полное основание гордиться своим произведением.
Последующая история храма св. Софии такова.
7 мая 558 г., во время землетрясения, купол рухнул, повредил интерьер строения. Четыре года спустя начались работы по восстановлению. Руководил ими племянник Исидора из Милета, также носящий имя Исидор. В ходе этих работ вся конструкция купола была поднята на высоту 10 метров, причем куполу была придана более плоская форма, чем первоначально. В связи с работами по восстановлению несколько авторов оставили новые, исчерпывающие описания храма.