Кладка восточных компартиментов нефов представляет собой грубое попеременное сочетание пяти – шести рядов кирпича и трёх – четырёх рядов камня. Долгое время они считались изолированными и принимались за дополнительные апсиды храма, в результате чего возникла теория O. Вульффа о трёхчастном святилище и Фридриха Вильгельма Дайхманна – о храме святой Ирины как о прототипе трёхапсидных алтарей в средневековой Италии. В храме много света, проникающего через большое количество окон в барабане, алтаре, стенах. Некоторые из окон сейчас имеют прямоугольные очертания, но в византийское время все они имели полуциркульное завершение. Окна настолько широкие, что превращают стены в тонкую мембрану, которая не несет тяжести распора купола и полностью гасится массивными опорами. В алтаре над синтроном расположены три окна, самые большие по размеру; их оси расходятся по радиусам от единого центра. Барабан прорезан окнами меньшего размера, всего их насчитывается двадцать (только пять открыто в настоящее время). На боковых стенах сделаны окна равных размеров, составляющие четырёхъярусную композицию, изначально симметричную (в турецкое времена несколько проёмов было заложено). Нижний ярус с неравномерным распределением дверей и оконных проёмов над ними соответствует уровню нефов; остальные три находятся на уровне галерей. В центральном компартименте с северной и южной сторон над двумя рядами по пять окон помещаются по три окна, завершающие люнеты стен (в северной стене заложены). В западном, более узком, аналогичная композиция урезана на одну ось. Исследователи полагают, что так же были расположены окна и на западной стене. Современный облик храма святой Ирины во многом сходен с обликом собора Святой Софии. Поверхности северной и южной стен-мембран немного утоплены и очерчиваются огромными арками, соответствующими выступам подкупольных рукавов. Арки завершены щипцами, образованными двускатными кровлями над подкупольными рукавами. Между ними размещены малые щипцы, завершающие широкие центральные лопатки и дополняющие общий ритм оформления боковых стен. Простенки между окнами главного барабана превращены в небольшие контрфорсы, над которыми возвышается плоский купол. Кровля над сводом западного компартимента столь низка, что едва видна снаружи. По словам Александра ван Миллингена, все поверхности стен в интерьере были покрыты мраморной облицовкой. Это предположение подтверждается большим количеством мраморных осколков и металлических скоб, найденных в кладке. Верхние зоны храма (купол, паруса, подкупольные арки, конха) были покрыты мозаикой. Мозаика конхи сохранилась: на золотом фоне с зелёным позёмом помещён золотой крест в чёрной окантовке, опирающийся на трёхступенчатый пьедестал. На триумфальной арке помещены две мозаичные надписи. Нижняя соответствует Пс. 65:5–6 (Пс. 64 в версии Септуагинты): «Насытимся благами дома Твоего, святого храма Твоего. Страшный в правосудии, услышь нас, Боже, Спаситель наш, упование всех концов земли и находящихся в море далеко». Верхняя надпись повреждена (смысл восстанавливается гипотетически: «Он устроил горние чертоги Свои на небесах и свод Свой утвердил на земле; уповаем на Имя Его». Надписи помещены в раму из флоральных мотивов. Остатки орнаментальной мозаики, аналогичные тем, что сохранились в храме Святой Софии, уцелели в софитах арок.