Храм заключал в себе средний неф и по бокам его по три внутренних портика, полусветлых, обставленных массивными арками. На этих арках покоились хоры, или верхняя внутренняя галерея, обнимающая три стороны, северную, западную и южную. Эти хоры, или полати, имели то же назначение, как и в греческих храмах, то есть служили гинекеем, или женским отделением, — черта, заимствованная от греков с принятием христианской религии и храмового зодчества. Кроме того, на хорах помещались особые камеры или кладовые для хранения церковного и отчасти княжего имущества, а также соборной библиотеки и архива, то есть рукописных книг и грамот, договорных, дарственных, духовных и прочих.
Вся передняя половина главного нефа или его алтарная и предалтарная части были изукрашены роскошной мозаикой. Греческие храмы, а вместе с тем и русские, в то время еще не имели иконостасов, совершенно закрывающих алтарь от взоров молящихся. Алтарная преграда состояла из ряда мраморных колонок с перекладиной, или архитравом, наверху и мраморными плитами между колонками внизу. Эта невысокая преграда не препятствовала народу созерцать изображения алтарного свода; а когда бывала отдернута облегавшая ее завеса, то весь алтарь был видим молящимся. Отсюда понятно усердие к нему храмоздателя, не щадившего издержек на такое дорогое украшение, каким была на Руси греческая мозаика, или, по древнему нашему выражению, мусия; так назывались священные стенные изображения, составленные из мелких камешков, которые получались преимущественно из стеклянной разноцветной массы, разбитой на кусочки. Над горним местом, на самом полусводе алтаря, на золотом мозаичном же поле, возвышается величественное изображение Божией Матери, которой был посвящен этот алтарь и которая здесь олицетворяла собственно святую Софию, или премудрость Божию. Святая Дева представлена стоящею с воздетыми кверху руками, то есть в молитвенном положении; на ней голубой хитон, охваченный узким червленым поясом, из-за которого спущен белый убрус. Широкий золотистый покров осеняет ее голову, рамена и спускается на обе стороны до колен. Это художественное изображение, составляющее главное украшение Софийского храма, сохранилось в течение веков, посреди всех опустошений, постигших храм, и получило в народе название Нерушимой стены. Под нею во всю ширину алтарного полукружия идет мозаичное изображение Тайной вечери. Посередине над горним местом представлена священная трапеза с утвержденной на ней шатровой сенью. С каждой ее стороны Христос: обращенный ликом в правую (от зрителя) сторону, Он преподает чашу шести друг за другом стоящим апостолам; а обращенный в левую — преподает хлеб остальным шести апостолам. Далее внизу, под этим рядом апостолов, следует такой же мозаичный ряд святителей первых веков христианства, каковы: Николай, Григорий Богослов, Иоанн Златоуст, Климент, папа римский и другие. Их имена, как и все надписи киевософийских мозаик, начертаны темными мозаичными буквами на греческом языке. На уступе, который отделяет Нерушимую стену от верхней части алтарного полусвода, помещено в трех кругах поясное изображение Деисуса, то есть Спасителя, имеющего по правую сторону от себя Божию Матерь, а по левую — Предтечу. Предалтарная мозаика представляет, во-первых, Благовещение, разделенное на две части: на правой стороне алтарной арки Святая Дева с веретеном и клубком ниток в руках; а на левой — архангел Гавриил. Далее на четырех арках главного купола изображены сорок мучеников, по десяти на каждой; в четырех треугольниках (парусах), заключенных между дугами этих арок, четыре евангелиста; а в самом куполе помещено колоссальное изображение Спасителя, окруженное ангелами и апостолами; последние в простенках окон.
Вся остальная внутренность храма была в изобилии расписана фресковою живописью: боковые алтарные полукружия, стены, арки, столбы и своды покрыты как изображениями разных событий из священной истории, так и отдельными фигурами Христа, Богородицы, отцов церкви и мучеников. По своему рисунку эти фрески не отличались от упомянутых мозаичных изображений и представляли строгие, сухие фигуры чистого византийского стиля. Фресковое расписание Киевской Софии не ограничивалось самим храмом, а распространялось и на внутренность двух упомянутых башен, или веж. Но здесь оно уже не имело церковного или священного характера; а усвоило себе стиль и содержание живописи светской. Стены башен и массивные столбы, около которых идут витые лестницы, покрыты изображениями разнообразных сцен из быта византийско-царского и русско-княжеского. Охота за дикими животными, фантастические звери и птицы, ипподром, скоморохи, музыканты, акробаты, а также суд и расправа — вот содержание этих довольно загадочных изображений. Византийские художники, вероятно, следовали здесь обычному в их отечестве расписанию царственных чертогов. А еще вероятнее, что все эти лестничные картины разных забав и времяпровождения светских владык имели аллегорическую задачу: напоминать скоропреходящее значение земных благ, земной власти и всю суету сего мира в сравнении с вечной жизнью и с незыблемым значением церкви; так как мимо этих картин всходили на хоры, откуда тотчас открывалась Нерушимая стена и вся внутренняя красота храма.
По обычаю того времени, каждый значительный князь желал по смерти своей покоиться в храме собственного сооружения или в «отнем», то есть сооружения отцовского. В левом внутреннем притворе Софийского собора поставлена гробница великого князя Ярослава, сделанная в большом размере из белого мрамора наподобие царских саркофагов Византии. Стены и двускатная крыша гробницы украшены изваяниями крестов, деревьев, птиц и рыб.
Кроме Ярослава у Святой Софии в таких же мраморных гробах покоился прах его любимого сына Всеволода и двух сыновей последнего, то есть Ростислава и Владимира Мономаха. Мрамор для них, равно для колонн и других украшений, привозился издалека, преимущественно из окрестностей Константинополя, с островов Мраморного моря. А самый храм Святой Софии, как и прочие каменные сооружения древнего Киева, построен из кирпича, имеющего вид почти квадратной плиты. Но что придавало особую крепость таким сооружениям, это слой отличного цемента, своей толщиной и прочностью превосходящий самые кирпичи. Карнизы, охватывающие червлеными лентами верхние части здания, делались из красного шифера. Вместе с другими цветными камнями он употреблялся и для мозаичного церковного помоста.
Вблизи Святой Софии расположены были два монастыря, построенные тем же Ярославом-Георгием: один посвящен его ангелу, то есть Георгию, а другой — святой Ирине; полагают, что последний назван так в честь супруги великого князя. Около этих двух монастырей находились Золотые ворота, устроенные тем же Ярославом. Они представляли глубокую арку с железными, украшенными позолотою воротами; над аркой возвышалась башня с устроенным внутри ее храмом Благовещения. Овраг и вал, служившие прежде защитой старого Киева с западной стороны, все еще отделяли его от софийской части Верхнего города. Большой мост, перекинутый через этот овраг, служил главным соединением обеих частей — тот самый мост, который в 1147 году задержал Владимира Мстиславича, поскакавшего к Федорову монастырю на помощь несчастному Игорю Ольговичу. Федоров монастырь, заключавший в себе прах своего основателя Мстислава — Феодора Владимировича и двух его знаменитых сыновей, Изяслава и Ростислава, помещался тут же около моста по правую сторону; а по левую находилась площадь, называвшаяся Бабин Торжок, за которой далее красовался Десятинный храм Богородицы. Последний изяществом и богатством украшений соперничал со Святой Софией, а размерами даже превосходил ее. Он был несколько уже, но гораздо продолговатее Софийской церкви. С восточной стороны он имел три полукружия с сильно выступающим вперед средним, или главным, абсидой, которая заключала в себе алтарь; а два боковых назначались для жертвенника и дьяконика. С трех других сторон храм окружали портики, или паперти.
Внутри он также был изукрашен фресками и отчасти мозаикой. Кроме богатых мраморных саркофагов самого храмоздателя Владимира Великого и его супруги Анны, стоявших посреди храма, в притворе его находились еще гробницы Изяслава Ярославича и некоторых других князей. Площадь, лежавшая по одной стороне Десятинной церкви в северном углу Старого города, была украшена теми двумя медными статуями и четырьмя конями, которые Владимир привез из Корсуни. В противоположном, то есть южном, углу старого Киева над самым Боричевым увозом возвышалось другое сооружение Владимира Великого, храм Святого Василия, посвященный его ангелу. Этот храм основан на том холме, на котором стоял прежде идол Перуна, подле великокняжеского терема, и, очевидно, имел значение дворцовой церкви. Ярослав и его преемники распространили терем новыми постройками; он, вероятно, и был то, что в летописи называется Великим двором Ярославовым. Относительно обширности этого двора можно судить по тому, что на нем собиралось иногда целое войско, задавались пиры народу и устраивалась конская потеха, как это мы видели в истории Изяслава II. (Впрочем, тут, может быть, подразумевалась и наружная площадь перед теремом.) Кроме Федорова монастыря в старом городе помещался мужской монастырь Андреевский, основанный Всеволодом Ярославичем. Он назывался также Янчин; потому что дочь Всеволода, известная Янка, устроила при нем и женскую обитель, в которой сама была настоятельницей. В старом городе, как надо полагать, находилась и каменная церковь, основанная сыном Мономаха Мстиславом в честь Богородицы Пирогощей; икона ее, если верить преданию, написанная евангелистом Лукою, была привезена из Цареграда каким-то купцом Пирогостом. Она почиталась чудотворной. «Игорь едет по Боричеву к святой Богородице Пирогощей», говорит «Слово»; следовательно, по приезде в Киев он прежде всего приносил перед этой иконой благодарственные молитвы за свое освобождение и, вероятно, исполнял обет, данный в тяжкую годину своего плена или бегства.
Третья, или Михайловская, часть Верхнего города, отделенная от старого Киева небольшим удольем Боричева увоза, заключала в себе монастырь, основанный Святополком-Михаилом в честь своего ангела. Главы Михайловского храма были покрыты золочеными бляхами; почему он и назывался Златоверхим. По своему архитектурному плану и трем алтарным полукружиям он подходил к Десятинному храму, а мозаичными украшениями алтаря, особенно изображением Тайной вечери, напоминал Святую Софию.