Выступающие части нижней конструкции образуют со всех сторон церкви платформу, более широкую с восточной стороны. Очевидно, церковь была окружена обходной галереей, от которой сохранились следы аркады. Назначение нижнего этажа до сих пор остаётся предметом обсуждения исследователей. В нём видели первоначальный древний храм, цистерну, нимфейон, а также погребальную капеллу. Последняя версия представляется наиболее правдоподобной, по крайней мере, на начальной стадии существования этой конструкции. Её возникновение, как полагают исследователи, обусловлено особенностями рельефа места: она потребовалась для того, чтобы поднять церковь на один уровень с дворцом. Фундамент дворца, в свою очередь, был возведён на остатках позднеантичного здания (датируется V в.), от которого сохранилась внушительных размеров ротонда (внешний диаметр 41,8 м), использовавшаяся впоследствии в качестве цистерны. Здание сильно пострадало во время латинского завоевания Константинополя (1204 г.) и было восстановлено в палеологовское время, тогда нижняя структура стала использоваться в качестве погребальной капеллы. С точки зрения конструкции и функционального назначения нижняя и верхняя церкви Мирелейона представляют две самостоятельные, не зависимые друг от друга постройки. Некоторые исследователи предлагают также разную хронологию для этих структур, предполагая, что нижняя церковь древнее верхней, и время её постройки относят к VII в. (в качестве аргумента приводили характер кладки). Однако эта гипотеза была отвергнута сначала Й. Кольвицом (1934 г.), а затем С.Л. Страйкером (1941 г.). Исследовател отмечают, что несмотря на относительно небольшой размер, план и пространственное решение интерьера верхней церкви Мирелейон отражают стилистические и функциональные новшества в архитектуре Константинополя в X в., впервые проявившиеся в знаменитой церкви Неа-Экклесия (876–881 гг.) императора Василия I Македонянина. За 15 лет до возведения Мирелейон та же модель была воспроизведена в северной церкви монастыря Липса Константина в Константинополе (907/908 г.). Поверхность внешних стен церкви отличается большим разнообразием, достигающимся за счёт игры выступающих (полуколонны на северной, южной и западной стенах, многогранные апсиды, мраморные карнизы) и плоских элементов стены. Наличие арочных и круглых окон, а также люнетов призвано усилить впечатление от решений, использованных в плане здания, и таким образом выразить во внешней структуре стены внутреннее устройство храма. Внутреннее пространство Мирелейона вертикально организовано и увенчано куполом, опирающимся на четыре столба, заменившие первоначальные колонны с капителями. Восточная часть церкви по сравнению с западной более развита. Глубокий центральный алтарь соединён узкими проходами с жертвенником и диаконником, которые представляют собой в плане триконхи, что дополнительно подчёркнуто за счёт мраморного карниза, проходящего в верхней части апсидиолей.