Другая церковь была сооружена в честь Иоакима и Анны, она была каменная, в ней и совершались богослужения до постройки Софии Новгородской.
Софию Новгородскую строили семь лет, и освящение ее состоялось в 1052 году.
Святой князь Владимир по освящении собора прожил менее месяца, скончался 4 октября 1052 года и похоронен был в церкви Святой Софии.
Собор построен из простого обтесанного камня и кирпича. На нем шесть глав, из которых пять находятся посередине, а шестая на юго-западной стороне над лестницей, ведущей на хоры. Самая большая глава (средняя) сначала имела форму опрокинутого котла, но потом над ней была надстроена верхушка в виде луковицы.
Средняя глава в 1408 году была обложена медными, вызолоченными через огонь листами, а другие главы собора были крыты свинцом.
Кресты на главах были тоже медные, вызолоченные через огонь. Наверху креста средней главы находится металлический голубь, который служит символом осенения Духа Святого над храмом и всеми молящимися.
Первоначально Софийский новгородский собор (как и вообще все древние храмы) был устроен с одним приделом во имя Успения Божией Матери, но потом были сооружены еще пять приделов.
По внешнему виду собор представляет собой правильный четырехугольник, возвышающийся без уступов от основания до кровли. С восточной части он выдается тремя полукружиями по числу трех составных частей его: трапезы (престола), жертвенника и диаконника.
До реставрации 1900 года входов в собор было три (с западной, северной и южной сторон), а потом вместо окна с северо-восточной стороны был устроен еще один вход — для духовенства.
Власть в конце XI века редко на долгое время оставалась в руках одного князя.
Всего на два-три года появлялся князь в Новгороде, чтобы потом уйти. За этот срок София Новгородская утратила в сознании горожан неразрывную связь с князем и стала своего рода символом Новгородской республики. Рядом с храмом собиралось вече, в нем служили торжественные молебны в честь военных побед, возводили избранных на высшие должности, хранили казну. Поэтому в течение 58 лет собор оставался не расписанным. О первоначальной настенной росписи собора нет точных и определенных сведений. Известно только, что для росписи главного купола специально были вызваны греческие иконописцы.
Только в 1108 году по заказу епископа Никиты София Новгородская была изукрашена фресками. И после смерти святителя Никиты роспись собора продолжалась на средства, которые остались после него. Об изображении Христа Пантократора в куполе собора сохранилась древняя легенда, записанная в Новгородской летописи.
Предание рассказывает, что мастера, расписавшие фреску, изобразили Спасителя с благословляющей рукой. Однако на другое утро рука оказалась сжатой. Трижды художники переписывали изображение, пока от него не изошел глас: «Писари, писари! О, писари! Не пишите мя благословляющею рукою [напишите мя со сжатою рукою]. Аз бо в сей руце моей сей Великий Новеград держу; когда сия [рука] моя распространится, тогда будет граду сему скончание». К сожалению, изображение это в годы Великой Отечественой войны было утрачено.
В южной галерее храма сохранилось изображение Константина и Елены, о котором до сих пор ведутся споры исследователей. Образы византийского императора, провозгласившего христианство государственной религией, и его матери, нашедшей в 326 году в Иерусалиме крест, на котором был распят Христос, как нельзя более подходят главному собору Новгорода Они наглядно демонстрировали торжество христианства и святость благочестивых царей Необычными же были техника исполнения и стилистические особенности изображения. Ученые установили, что и техника живописи, и подбор красок были нетипичны для русских мастеров. Поэтому исследователи предположили, что изображение это писано западноевропейским или скандинавским мастером в 1144 году (или около этого года) Гипотеза эта имеет основание, ведь Новгород по своему географическому положению тяготел к северным странам Европы. Да и в самом облике Софии Новгородской проявились черты романской архитектуры (в частности, техника кладки стен из огромных, неправильной формы камней). Могучие стены храма, сложенные из диких камней с их неровной шероховатой поверхностью, не были оштукатурены до середины XII века Зато потом штукатурка придала собору цельность и эпический характер.
Над западным входом на стенах красками были изображены: в верхнем отделении — беседа праотца Авраама с тремя ангелами под Мамврийским дубом, в нижнем — София Премудрость Божия, нерукотворный образ Господа Иисуса Христа и по сторонам два архангела.