Собор представляет собой пятинефный крестово-купольный храм. Храмы подобного типа строились на Руси только в XI веке, к ним, помимо новгородской Софии, относятся: Софийские соборы в Киеве и Полоцке, а также Киевская церковь Ирины и Георгия. У храма имеется три апсиды — центральная пятигранная, и боковые — округлые. С трёх сторон центральное строение окружают широкие двухэтажные галереи. Время возникновения галереи и её первоначальный вид являются предметом научных споров, но, вероятно, она возникла уже в процессе строительства храма.
Собор имеет пять глав, шестая венчает лестничную башню, расположенную в западной галерее южнее входа. Маковицы глав выполнены в форме древнерусских шлемов.