В современной науке нет единого мнения о первоначальном облике церкви апостолов. Реконструируется, главным образом, по Евсевию Кесарийскому, который подчеркнул «несказанную высоту» здания, облицовку «разноцветно блистающими камнями», кровлю из позолоченной меди с «доматионом» (световым барабаном?), обведённым позолоченной рельефной решёткой, двор, окружённый портиками, к которым примыкали помещения дворца (караульни, термы, жилые покои и др.). Отдельного внимания Евсевия заслужила архитектурная программа церкви апостолов, предложенная императором Константином, поскольку император, «силой веры предусматривая, что по смерти мощи его сподобятся названия апостольских», пожелал «после кончины иметь участие в молитвах, которые в сём храме будут возноситься в честь Апостолов», и соорудил «двенадцать ковчегов… в честь и славу лика Апостолов, посреди них поставил он гроб для самого себя, так что с обеих сторон этого гроба стояло по шести апостольских». В реконструкции первой церкви апостолов исследователи видят единые кенотаф апостолов и мавзолей императора Константина, которые, возможно, представляли собой крестообразную купольную постройку с одно- или многонефными рукавами (по С. Манго, купольную ротонду), находившуюся в центре четырёхугольного перистильного двора, окружённого базиликами и другими общественными зданиями (Ричард Краутхаймер). По мнению А.М. Высоцкого, церковь апостолов представляла собой крестообразный в плане архитектурный комплекс с купольной ротондой в центре перистильного двора, примыкающие к сторонам которого постройки в описании Евсевия идентичны четырём рукавам огромного крестообразного здания в описании Григория Назианзина. Во время промежуточной перестройки 356–370 гг., по мнению большинства исследователей (за исключением С. Манго), был построен лишь новый мавзолей императора Константина I – купольная постройка, круглая или многоугольная в плане, у входа в атрий, с востока. Мартирий апостолов Андрея, Луки и Тимофея, составивший доминанту архитектурного комплекса, выглядел как четыре базилики, располагавшиеся крестообразно и соединённые в центре купольным киворием в виде ротонды, где находился алтарь. Церковь апостолов 536–550 гг. реконструируется достаточно достоверно. Согласно общему мнению (кроме А. Хайзенберга), она являлась повторением храма, сложившегося к концу IV в. и включившего в себя в центре мартирий апостолов, центричную крестообразную постройку с трёхнефными рукавами (с внутренними галереями) и пятью куполами (один световой в центре и четыре изначально глухие по осям); на западе – атрий; на востоке – сохранённый мавзолей императора Константина 356–370 гг.; на северо-востоке – мавзолей императора Юстиниана, крестообразный в плане, перекрытый куполом. Наряду с собором Святой Софии Константинопольской церковь апостолов на всех этапах её развития служила одним из образцов христианской архитектуры. В качестве её копий исследователи называют главный храм монастыря св. Симеона Столпника Старшего в Сирии, V в. (связан с церковью апостолов через так называемую Великую церковь в Антиохии), а также собор Сан-Марко в Венеции, XI в. От некрополя императоров Византии дошли лишь порфировые саркофаги, найденные в XVIII в. (Археологический музей, Стамбул).