Tο εικονογραφικό πρόγραμμα, που πιθανόν εφαρμόστηκε αρχικά στην Κωνσταντινούπολη μετά το 843, ήταν σε πρώτο στάδιο πολύ περιορισμένο και δεν περιείχε ευαγγελικές σκηνές. Aυτό γίνεται φανερό από μια ομιλία του Φωτίου που εκφωνήθηκε ανάμεσα στα 858 και 865. Η ομιλία συνδέεται, σύμφωνα με την επικρατούσα σήμερα άποψη, με την Εκκλησία της Θεοτόκου του Φάρου, που ιδρύθηκε μέσα στο παλάτι από το Φώτιο. Λίγο αργότερα ωστόσο, εκφωνήθηκαν δύο λόγοι από το Λέοντα Στ' Σοφό που περιέγραφαν τα ψηφιδωτά σύγχρονών του ναών, όπου υπήρχαν και ευαγγελικές σκηνές. Στην περίοδο 843-1025, η Αγία Σοφία διακοσμήθηκε με θαυμάσια ψηφιδωτά. Aπό τις πρώτες παραστάσεις του εικονογραφικού προγράμματος του ναού ήταν η Παναγία ένθρονη βρεφοκρατούσα στο τεταρτοσφαίριο της αψίδας και οι αρχάγγελοι Μιχαήλ και Γαβριήλ στο εσωράχιο του τόξου του Ιερού Βήματος. Τα ψηφιδωτά αυτά συνδέονται με μια ομιλία του πατριάρχη Φωτίου που εκφωνήθηκε το 867 και απηχούν ως προς την τεχνοτροπία τους κλασικιστικά πρότυπα. Ο Παντοκράτορας που αντικατέστησε το σταυρό στον τρούλο λίγο μετά το σεισμό του 869, καθώς και δύο από τα τέσσερα εξαπτέρυγα που απεικονίστηκαν στα σφαιρικά τρίγωνα, δε σώζονται πια. Στα γραμμικά και επίπεδα ψηφιδωτά των τυμπάνων παριστάνονται ολόσωμες μορφές αγίων. Xρονολογούνται στη δεκαετία 877-886 ή λίγο μετά το 886. Η χρονολόγηση βασίζεται στην ψηφιδωτή παράσταση του αγίου Ιγνατίου του Νέου, που πέθανε το 877 και ανακηρύχθηκε άγιος πριν το 886. Δύο ευαγγελικές σκηνές που φιλοτεχνήθηκαν αργότερα δε σώζονται πλέον. Aπό το διάκοσμο του Μεγάλου Σέκρετου του Πατριαρχείου, στο υπερώο της νοτιοδυτικής γωνίας, σώζεται ένα τμήμα μόνο από την παράσταση Δέησης, που χρονολογείται μετά την καταστρεπτική θύελλα του 870, στα 870-880. O υπόλοιπος ψηφιδωτός διάκοσμος της Αγίας Σοφίας απαρτίζεται από αναθηματικούς πίνακες αυτοκρατόρων, που δεν εντάσσονται στο εικονογραφικό πρόγραμμα του ναού. Aπό τις πιο γνωστές απεικονίσεις είναι ο Χριστός ένθρονος ανάμεσα στην Παναγία και το Γαβριήλ, με το Λέοντα Στ' (886-912) σε στάση προσκύνησης. Το ψηφιδωτό βρίσκεται στη Βασίλειο Πύλη, στη θέση όπου απεικονίζεται συνήθως ο επώνυμος άγιος του ναού. Φανερώνει την προέλευση της εξουσίας του αυτοκράτορα από τον ουράνιο βασιλέα, ενώ ταυτόχρονα συνδέεται από μερικούς ερευνητές με τον τέταρτο γάμο του Λέοντα και τη μετάνοιά του γι' αυτόν. 'Aλλοι συνέδεσαν την παράσταση με το λειτουργικό τυπικό της εισόδου του αυτοκράτορα στο ναό, όπως περιγράφεται σε χωρίο της "Bασιλείου Tάξεως".