Под 1037 годом упомянута в Повести Временных лет в числе сооружений, возведенных Ярославом Мудрым. В конце XVII века внешний облик собора был перестроен в стиле Украинского барокко.
София Киевская – уникальный памятник архитектуры, особый вариант крестово-купольного храма типа «вписанный крест». Она представляет собой масштабный пятинефный собор, который осеняли тринадцать глав. Архитектурный объем храма, по фасадам имевший вертикальные членения, завершался полукруглыми закомарами и был окружен с севера, запада и юга галереями. Внешняя галерея была одноярусной и была ограничена открытой аркадой. Внутренняя галерея была двухъярусной. Храм имел пирамидально-ступенчатую объемно-пространственную композицию, доминантой которой являлся центральный купол. Во внешнюю западную галерею были включены две лестничные башни, по которым можно было подняться на обширные хоры.
Интерьер сохранил наиболее полный цикл росписей XI века на территории древней Руси. Главные части храма украшены мозаиками. Христос Пантократор в куполе, окруженный фигурами четырех Архангелов, двенадцать апостолов в барабане, евангелисты в парусах, изображение Христа Иерея, сорок Севастийских мучеников на подпружных арках, Деисус на триумфальной арке, Благовещение на восточных столбах, Богородица Оранта в конхе центральной апсиды, Причащение апостолов (Евхаристия) и святительский чин, расположенные ниже, - все это было выполнено греческими мастерами в технике мозаики.