整座教堂为庭式建筑，中央一座主体建筑有个标准的大穹窿，红碑结构，巍峨宽敞，是拜占庭式建筑的典型代表。为全国重点文物保护单位，1997年6月，圣索菲亚教堂修复并更名为哈尔滨市建筑艺术馆。
圣索菲亚教堂气势恢弘，精美绝伦。教堂平面设计为东西向拉丁十字，墙体全部采用清水红砖，上冠巨大饱满的洋葱头穹顶，统率着四翼大小不同的帐篷顶，形成主从式的布局。4个楼层之间有楼梯相连，前后左右有4个门出入。正门顶部为钟楼，7座响铜铸制的乐钟恰好是7个音符，由训练有素的敲钟人手脚并用，敲打出抑扬顿挫的钟声相闻久远声传阿城。
教堂的底部是约2米高的花岗岩石座，主体建筑为圆柱形，上部是硕大的球形屋顶，屋顶上竖着十字架。教堂西端有人口，为教堂的正面。上方是六边形尖塔式的钟楼。南北两端是对称的与钟楼相似的尖塔，尖塔顶端各一枚十字架。东端是祭坛，这里是教堂的最后部，设有一个后门。教堂的平面呈东西走向，构成一个十字架形。
这座教堂，不但是典型的西方宗教建筑风格，具有极强的审美观赏性，而且对哈尔滨人的信仰习俗影响很大。解放前，因众多侨居哈尔滨的俄国人信奉天主教，故每到礼拜日，他们就到这所教堂中诵经、忏悔、或祈祷，请求天主“保佑赐福”。在他们的影响、劝导下，哈尔滨信奉天主教的中国人也比较多。
目前，这座教堂又修复一新。每到礼拜日，这里诵唱圣经之声不绝于耳。在那庄重肃穆的氛围中，眼观信徒虔诚的表情，使人颇受宗教情调的感染。因此，它成了国内外到哈尔滨旅游观光者最喜欢的光顾之处。