Здание целиком выстроено из кирпича; первоначально оно соединялось портиком с аркой Галерия, дворцом и ипподромом, составляя с ними единый архитектурный ансамбль. Реставрационные работы 1980–1990 гг. выявили два строительных этапа. Древнейшая часть (около 300 – 306 гг.) – мощный цилиндрический двухъярусный объём, стены которого изнутри прорезаны восемью глубокими прямоугольными в плане нишами-камерами. Вход в здание был на юго-западной стороне, обращённой к арке Галерия; в этом месте в толще кладки устроены две винтовые лестницы, выводящие на второй ярус наружных стен. Подкупольное пространство имеет 24,5 м в диаметре и высоту 29,8 м. Свет проникал внутрь через полукруглые окна в основании купола (ныне заложены) и восемь крупных оконных проёмов, расположенных в первом ярусе над нишами-камерами, благодаря чему интерьер получил чёткое разделение на три регистра. Почти не выявленный снаружи полусферический купол имеет высоту около 13 м и первоначальный, впоследствии заложенный окулус (световой проём). В раннехристианский период (379–395 гг.?) к основному объёму были пристроены апсида с вимой и дополнительный кольцевой обход с двухбашенным портиком перед входом (эти части здания, за исключением апсиды, не сохранилась); был заложен окулус купола. От первоначального литургического убранства храма уцелели фрагменты резного мраморного амвона со сценой «Поклонение волхвов», в 1900 г. перевезённые турками в Константинополь. У южного входа в храм можно видеть лишь мраморное основание амвона. Сохранившиеся мозаики представляют собой один из наиболее полных ансамблей раннехристианской монументальной живописи (расчищены в 1952 г.). Прежде мозаики исследователи датировали около 400 г., предполагая, что они были выполнены одновременно с созданием христианской церкви; современная датировка – третья четверть V в. Мозаики охватывают купол тремя поясами-регистрами, которые объединены в несколько тематических композиций, создающих грандиозный образ «Второго пришествия Иисуса Христа». Фигура Спасителя во славе, несущего золотой крест, помещалась в центральном медальоне (сохранилась правая, поднятая в жесте триумфатора рука Христа, край золотого нимба и часть креста). О пришествии Владыки мира возвещают четыре ангела во втором регистре, их воздетые руки касаются края медальона (сохранились головы, руки и верхние части крыльев). В этом ряду уцелела также верхняя часть изображения феникса, символа воскресения и бессмертия, с расходящимися от головы цветными световыми лучами.