L’iconographie s’organise selon trois thématiques différentes disposées selon trois étages : la partie supérieure, le haut du mur et le bas du mur.
Le programme iconographique de la zone des voûtes représente le cosmos angélique, avec le Christ pantocrator, la Vierge theotokos (Mère de Dieu) et les saints anges, afin de faire de l’église une théophanie du Christ Dieu. Ainsi au-dessus du sanctuaire, la voûte de l’abside accueille la Theotokos siégeant en majesté avec son fils sur les genoux (on remarquera que la Vierge a pris la place symbolique du Christ médiateur tandis que ce dernier siège du haut de sa transcendance divine dans la coupole) ; sur l’arc triomphal on peut voir la deisis (« la supplication» : le Christ trônant en majesté encadré de Marie et du Baptiste) ; la coupole centrale est occupée par le Pantocrator que soutiennent des séraphim (sur les trompes qui permettent de passer d’un plan carré à un plan octogonal) et les quatre évangélistes, soutenus eux-mêmes par les prophètes de l’Ancien Testament.
En-dessous, la partie haute des murs sud, ouest et nord, est décorée (en « U » de gauche à droite en partant du sud-est) d’épisodes de la vie de Marie et du Christ qui ont été retenus comme fêtes liturgiques principales. Cette iconographie fait de l’église une représentation de la dramaturgie narrative de l’économie divine mise en scène par la liturgie. Il s’agit au minimum des fêtes suivantes : la Nativité de la Vierge, l’Annonciation, la Nativité du Christ, sa présentation au Temple, son baptême, sa transfiguration, la résurrection de Lazare, l’entrée à Jérusalem, la Crucifixion (où, sous l’influence de l’Occident, le Christ est représenté nu depuis le XIIe siècle), la Descente aux Enfers (appelée anastasis c’est- à-dire « Résurrection »), l’Ascension, la Pentecôte, la Dormition de Marie ; à la hauteur de l’autel, au fond de l’abside, est représentée la Cène (le Christ communie les apôtres à la manière du clergé byzantin) encadrée par des cohortes angéliques ; ce programme suppose que « l’on puisse embrasser la nef d’un seul regard » (C. Mango, « The Mosaics of Hagia Sophia », dans H. Kähler, Hagia Sophia, New York – Washington, 1967, p. 48) ce qui est aisé puisqu’il n’y a plus de bas-côté, ni d’aile, ni rangée de colonnades.
Le « rez-de-chaussée » des murs latéraux de la nef (naos) est peuplé d’une ou plusieurs rangées de saints. Sur les murs de l’abside, se tiennent les saints hiérarques (ceux dont on célèbre la liturgie, Jean Chrysostome et Basile de Césarée, mais aussi Grégoire de Nazianze, Grégoire de Nysse...).
Le narthex accueille souvent, à partir du Moyen Age, des scènes de l’Apocalypse (encore sous l’influence des latins) ;
Les deux absidioles (pastophoria), disposées à l’est de part et d’autres de l’abside : c’est-à-dire le diakonikon (sacristie) à droite (au sud) et l’autel de la prothèsis à gauche (au nord) où l’on prépare les saints dons avant la divine liturgie, sont peuplés de martyrs et de hiérarques (Etienne et Laurent, les diacres martyrs occupant le diakonikon). Elles remplacent l’antique sacristie externe, le skeuophylakion. La procesion des oblats (le pain et le calice) avant l’anaphore, « la Grande entrée », a perdu de son éclat impérial initial sous l’influence syrienne et monastique. Elle n’est plus une « entrée ». Elle part de l’absidiole nord pour rejoindre l’autel à travers la nef.
Au sol, l’ambon et l’allée qui le reliait à l’abside ont disparu, facilitant l’unicité visuelle du lieu. À l’aplomb de l’arc triomphal, à l’entrée du sanctuaire, la courtine et le templon (à l’origine de simple barrière séparant le clergé des fidèles) sont devenus peu à peu un véritable mur — l’iconostase — qui obstruera la vue du sanctuaire à la fin du Moyen âge. Il permet de suspendre des icônes : au minimum le Christ à droite, Marie à gauche (en regardant depuis la nef), une crucifixion au sommet avec Marie et Jean au pied de la Croix, en général une Deisis en dessous, et des saints locaux au niveau des portes de part et d’autre, avec des anges et des diacres autour des portes des absidioles.
