Внешнее свинцовое покрытие идёт непосредственно по сводам купола. Эта же схема была развита в октагональной церкви Сан-Витале в Равенне (начата в 525 (?) г. или 546–548 гг.) с более рациональным семилепестковым планом и мощным восьмигранным барабаном с лёгким куполом. С другой стороны, возникла и во всей полноте была реализована в соборе Святой Софии в Константинополе (532–537 гг.) идея соединить большое центрическое купольное здание с круговым обходом и трёхнефную купольную базилику, сдвинув купол с восточной части среднего нефа к центру. По выражению Николая Ивановича Брунова, перефразировавшего Донато Браманте, архитекторы попытались «водрузить купол Пантеона на базилику Максенция». В центре собора Святой Софии – квадратное подкупольное пространство с огромным (пролёт около 33 м), но лёгким (0,7 м толщиной) плоским ребристым куполом на парусах, опирающимся на четыре подпружные арки на четырёх мощных столбах, скрытых под мраморной облицовкой стен. Высота здания от пола до основания купола – 40 м, а от пола до шелыги – 55 м. Купол возводился без кружал. С запада и востока распор купола гасят большие экседры с полукуполами (конхами), равными диаметру главного купола. Каждый полукупол опирается на две малые конхи и малую арку посередине. На востоке средней малой арке соответствует апсида, а двум боковым конхам – колонные двухъярусные экседры. На западе – та же схема, но вместо апсиды под средней аркой расположено большое термальное окно, под ним – балкон императрицы и в самом низу – тройной входной портал. С севера и юга купол опирается на две подпружные арки, заполненные относительно тонкими стенами-мембранами со множеством окон. Под ними в два яруса расположены прямые колоннады. Распор здесь гасится четырьмя мощными контрфорсами, встроенными во внешний периметр стен. Таким образом, центрический купольный храм удлинён по оси «запад-восток» полукруглыми экседрами, при этом высокое и светлое подкупольное пространство окружено более низким и тёмным двухъярусным обходом. Плоский купол не был задуман как городская архитектурная доминанта, однако живописно смотрится в морской панораме Константинополя. Купол Святой Софии был рассчитан на восприятие изнутри; важную роль здесь играла новаторская система освещения. Световой купол с сорока арочными окнами в основании и круглящиеся формы полукуполов и экседр с такими же окнами создают фантастический образ небесных сфер, пронизанных сиянием. Эффектность освещения усиливалась золотом мозаик на внутренней поверхности купола, а также зеркалами (не сохранились), вставленными в подоконники и фокусировавшими падающий солнечный свет под купол. Небольшие арочные окна создают подобие светового кольца вокруг парящего купола. Первоначальный, очень уплощённый купол Святой Софии обрушился от землетрясения ещё при императоре Юстиниане I Великом, в 553–562 гг. был восстановлен и стал более высоким и ребристым (архитектор Исидор Младший), затем без изменения курватуры реконструировался в 990 гг. (архитектор Трдат) и в 1340 гг.