При дальнейшем развитии купольной базилики купол не вытеснил алтарную апсиду. Однако постепенно именно он становился главным видимым центром интерьера. Внесённое им центрическое начало усиливалось всё больше и больше. Базилика укоротилась и подтянулась к куполу. В результате основной архитектурный акцент был перенесён с апсиды на купол, и здание из базилики превратилось в центрическое сооружение.
Основная трудность, которая стояла перед архитекторами при проектировании Софии, заключалась в том, что существовавшие в византийском мире купольные базилики обладали очень скромными размерами, в то время как София должна была стать грандиозным сооружением. Другая трудность, чисто конструктивная, состояла в том, что деревянное перекрытие не подходило для интерьера диаметром более 30 м. Купол необходимо было сделать каменным и по соображениям идейно-художественного порядка. Он должен был изображать небесный свод, увенчивающий землю — центральную часть интерьера. Всё здание внутри должно было выглядеть однородным, оно всё должно было быть каменным от основания до замков сводов.
Сводчатые здания очень больших размеров были хорошо известны Анфимию и Исидору. По-видимому, их зодчие и взяли за образец, выбрав при этом наиболее грандиозные и замечательные постройки. Замыслам зодчих соответствовали самая грандиозная римская базилика, при этом сводчатая, и наиболее выдающееся купольное здание, при чём оказалось возможным соединить воедино особенности этих двух сооружений. Этими двумя постройками были базилика Максенция и Пантеон. Если бы в наше время архитектору предложили назвать два наиболее выдающихся римских здания, он не мог бы выбрать лучше.
План Софии отчётливо свидетельствует о том, что именно базилика Максенция была положена в основу её системы. План расчленён четырьмя промежуточными столбами на девять частей, так что центральный неф стал трёхчастным. От купольных базилик зодчие заимствовали хоры, которые позволяли им намного увеличить вместимость боковых нефов, предназначенных для молящихся.
Наиболее выдающимся архитектурным достижением двух строителей Софии является приём, при помощи которого они связали воедино в своём произведении базилику Максенция и купол Пантеона. Этот приём относится к наиболее смелым и удачным идеям в архитектуре прошлого. Это гениальное решение охватило одновременно функциональную, конструктивную и художественную стороны архитектуры. Оно привело к удивительно полноценному комплексному архитектурному образу.
Анфимий и Исидор изобрели систему полукуполов, связывающую купол Софии с её базиликальной основой. В эту систему входят два больших полукупола и пять малых. В принципе должно было быть шесть малых полукуполов, но один из них был заменён цилиндрическим сводом над главным входом в центральную часть интерьера из нартекса. Это отступление от общей системы великолепно выделяло главный входной портал и два меньших портала по его сторонам. Через эти порталы из нартекса входили процессии, через главный портал проходили император и патриарх. Полукупола прекрасно связали базилику и купол. Этим была создана купольная базилика совершенно нового типа, единственной представительницей которого является Константинопольская София.
Композиционный приём, применённый Анфимием и Исидором, фиксирует расположение купола в самом центре здания. В купольных базиликах предшествующего времени расположение купола постоянно колебалось в связи с возможностью удлинить или укоротить цилиндрические своды, находящиеся к западу и к востоку от купола. Обычно алтарь всё-таки притягивал к себе купол.
В Софии полукупола создают к востоку и к западу от купола аналогичные формы, имеющие одинаковую глубину. Благодаря этому купол не может быть сдвинут со своего места и уверенно отмечает центр здания. Одновременно с этим конха апсиды включена в систему полукуполов. Это означает, что алтарная часть закономерно привязана к куполу и к главной части интерьера. Так создана архитектурная система, узаконившая оба центра Софии — купол и апсиду, амвон и алтарь. Вследствие этого система полукуполов великолепно связала направленность к алтарю базилики и центричность купольной постройки. В Софии базилика и купол внутренне органически связаны друг с другом. Это действительно настоящая купольная базилика, венец всего развития этого архитектурного типа.