Ayasofya Camii, Bizans mimarisinde çok yaygın kullanılan dört sütunlu ve kapalı haç biçiminde plana sahiptir. Tam ortada yüksek kasnaklı kubbe bulunmaktadır. Bu biçimi ile kilisenin Trabzon’da Komnenos hânedanı hüküm sürdüğü yıllarda, yani 1245-1255 yılları arasında yapıldığı tahmin edilmektedir. Duvara kazınan bir hâtıra yazısı 1291 tarihini vermektedir. İçindeki fresk resimler tahmini olarak 1260 yıllarında tamamlandığı tahmin ediliyor. Yapının batı tarafında dört köşe planlı, iç duvarlarında resimler ve süslemeler bulunan çan kulesi mevcuttur. Bu süslemelerin üzerindeki yazıdan anlaşıldığına göre kule 1443 tarihlinde yapılmıştır. Mabedin batı tarafında yükselen bu yapı ve Türk devrinde minare olarak da kullanılmıştır.
Trabzon Ayasofya Camii geç Bizans Kiliselerinin en güzel örneklerinden biridir. Yapıldığı dönemden günümüze kapalı kollu haç planlı olup, yüksek kasnaklı bir kubbeye sahiptir. Kuzey, batı ve güneyinde revaklı üç kirişi bulunmaktadır. Yapı ana kubbenin üzerine değişik tonozlarla örtülmüş ve çatıya farklı yükseltiler verilerek kiremitle örtülmüştür. Kuzey ve batıdaki revak cephelerinde görülen geometrik geçmeli bezemeleri içeren madalyonlarla, batı cephesinde görülen mukarnaslı nişler Selçuklu taş işlemelerindeki özellikleri taşımaktadır. Bazı alanlarda Anadolu Selçuklu sanatından esinlenmiştir. Örneğin, süs motifleriyle hollerin sütun başlıkları üstündeki mukarnaslı yastıklar ve yanlardaki nişler. Trabzon Ayasofya tamamen kesme taştan yapılmıştır. İki yanında taşkın ve dışarı iki sütuna dayanan üçer kemerle açılan holler Bizans sanatına yabancıdır.
Trabzon Ayasofya Camii yapısındaki en görkemli işlemeler güney cephesindedir. Burada Adem’le Havva’nın yaratılışı kabartma olarak bir friz hâlinde anlatılmıştır. Güney cephesindeki kemerin kilit taşı üzerinde tek başlı kartal motifi bulunmaktadır. Bu motif, Trabzon’da 257 yıl hüküm süren Komninos Hanedanı’nın sembolüdür. Kubbede ana tasvir İsa, onun tanrısal yönünü aksettiren Hristos Pantokrator (Herşeye kâdir İsa) tarzıdır. Bunun altında bir kitabe kuşağı, daha altta ise melekler frizi vardır. Pencere aralarında on iki havari tasvir edilmiştir. Pandantiflerde değişik kompozisyonlar yer almaktadır. İsa’nın doğumu, vaftizi, çarmıha gerilişi, kıyamet günü gibi sahneler betimlenmiştir. Mâbedin zemininde de renkli mermerlerden yapılmış, geçmeli zengin bir döşeme mozaiği kalıntısı vardır.
