Первоначально Софийский собор представлял собой пятинефный крестово-купольный храм с 13 главами. С трёх сторон он был окружён двухъярусной галереей, а снаружи неё ещё более широкой одноярусной. Нефы собора заканчивались на востоке пятью алтарными апсидами. Но в результате перестроек XVII—XVIII веков собор существенно изменил свой облик. Наружные галереи были надстроены, появились новые приделы, увенчанные дополнительными куполами (всего сейчас их 19). Собор был побелен. Древняя полусферическая форма глав была заменена на характерную для украинского барокко высокую грушевидную форму.
Интерьер собора сохранил большое количество фресок и мозаик XI века, выполненных лучшими византийскими мастерами. Палитра мозаик насчитывает 177 оттенков. На стенах храма изображены сцены из жизни Христа и Богородицы, ее родителей Иоакима и Анны, апостолов Петра и Павла, Георгия Победоносца, покровителя Киева — архистратига Михаила и многих православных святых.