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.
Апсид три, центральная пятигранная, боковые — округлые. С трех сторон центральное строение окружают широкие двухэтажные галереи.
Собор имеет пять глав, шестая венчает лестничную башню, расположенную в западной галерее южнее входа.
Маковицы глав выполнены в форме древнерусских шлемов.
Основной объём собора (без галерей) имеет длину 27 м и ширину 24,8 м; вместе с галереями длина составляет 34,5 м, ширина 39,3 м. Высота от уровня древнего пола, находящегося на 2 метра ниже современного, до вершины креста центральной главы — 38 м.
Стены храма, имеющие толщину 1,2 м, сложены из известняка разных оттенков. Камни не обделаны (подтёсана лишь выходящая на поверхность стен сторона) и скреплены известковым раствором с примесями толчёного кирпича (т. н. цемянка).
Арки, арочные перемычки и своды выложены из кирпича.