Ayasofya, yüzyıllar boyunca şehri ziyarete gelen seyyah ve araştırmacıların ilgisini çekmiştir. Trabzon üzerine anlattıkları ile ünlü Evliya Çelebi (1648), Pitton Tournefort (1701), Hamilton (1836), Texier (1864), Trabzonlu Şakir Şevket (1878) ve Lynch (1893) yapıya önem veren kişiler arasındadır. 1868 yılında harap durumda olan caminin Bursa’lı Rıza Efendi’nin teşvikleriyle yeni baştan onarıldığı bilinmektedir. Bina I. Dünya Savaşı yıllarında sırası ile depo, hastane daha sonraları yine cami olarak kullanılmıştır. 1958-1962 yılları arasında Vakıflar Genel Müdürlüğü ve Edinburg Üniversitesi’nin işbirliği ile restore edilerek 1964 yılından sonra müze olarak ziyarete açılmıştır. Geç Bizans kiliselerinin güzel bir örneği olan yapı, kare-haç planlıdır ve yüksek bir merkezi kubbeye sahiptir. Nartex denilen giriş holüne sahip olan bina üç neflidir. Neflerden ortadaki beşköşeli, yanlardakiler ise yuvarlak birer apsisle son bulmaktadır. Nartex’ in üzerinde şapel vardır. Yapının kuzey, batı ve güneyinde üç revaklı giriş bulunmaktadır. Kubbe ve kasnağı oniki köşelidir. Kubbe monoblok dört mermer sütun, kemerler ve pandantiflerle taşınmaktadır. Yapı ana kubbenin etrafında değişik tonozlarla örtülmüş, çatı farklı yükseklikler verilerek kiremitle kaplanmıştır. Üstün bir işçiliğin görüldüğü taş plastiklerde Hıristiyan sanatının yanı sıra Selçuklu Dönemi İslam sanatının da etkileri görülmektedir. Kuzey ve batıdaki revak cephelerinde görülen geometrik geçmeli bezemeleri içeren madalyonlarla, batı cephesinde görülen mukarnaslı nişler Selçuklu taş işlemelerindeki özellikleri taşımaktadır. Binanın en görkemli cephesi güneyidir. Burada Adem’le Havva’nın yaratılışı kabartma olarak bir friz halinde anlatılmıştır. 1.Sahnede; Adem ile Havva’ nen yaradılışı 2.Sahnede; Adem ile Havva’nın cennette yaşayışları 3.Sahnede; Yasak elma 4.Sahnede; Adem ile Havva’nın cennetten kovuluşları 5.Sahnede; ilk cinayetin tasviri (Kabil’in Habil’ i öldürmesi) tasvirleri yer almaktadır. Yine bu cephede kemerin kilittaşı üzerinde Trabzon’da 257 yıl hüküm süren Komnenosların sembolü olan tekbaşlı kartal motifi bulunmaktadır. Benzer bir kartal tasviri ana apsisin dışında doğu tarafta yer alır. Bu cephede, kentaur – grifon gibi mitolojik varlıklar, güvercinler, merkezlerinde yıldız ve hilal bulunan kare panolar, içleri bitkisel motifli madalyonlar yer almaktadır. Yapının ana kubbesinin altına rastlayan kısmında opus-sectula tarzında çok renkli mermerden yapılmış bir yer mozaiği bulunmaktadır.