Постройка храма свидетельствует о намерении повторить в Новгороде блеск и великолепие великокняжеского строительства в Киеве. Новгородская София повторяла Киевскую не только по названию.
Храм Святой Софии — главное сооружение города, он как бы олицетворяет и сам Новгород. Не случайно древние новгородцы, идя на бой с врагом, клялись «постоять и умереть за Святую Софию». Собор в представлении жителей олицетворял независимость Новгорода. С момента возведения храма у новгородцев сложилось особое к нему отношение. «Где святая София, там и Новгород», - говорили новгородцы.
Идея о нерасторжимом единстве судьбы храма с судьбой Новгорода нашла воплощение и в особенностях росписи храма. Летопись сохранила предание о том, как на изображении в куполе благословляющая десница Спасителя на другой день оказалась сжатою. Фреску переписывали до трех раз, пока на четвертый день сверху не раздался голос Христа, просящего оставить Его образ с сжатою рукой, так как в руке Он держит Новгород, которому быть, пока не разожмет Он Свою руку. Так, молясь в храме, устремляя свой взор к небу, новгородцы воочию видели Ту руку, которая держала их общую судьбу.
У Софии Новгородской, как и у многих дошедших до наших дней соборов, был храм-предшественник. Новгородские летописи сохранили известие о постройке в 989 г., вслед за принятием христианства, деревянной Софии «о тринадцати верхах» над рекой Волховом в конце Пискупли (Епископской) улицы.
Строительство Софийского собора велось в 1045-1050 годах.
По одной из версий в 1046 году великий князь Ярослав Мудрый и княгиня Ирина (Ингегерда) направились в Новгород из Киева к сыну Владимиру на закладку им Софийского собора. Собор был заложен на месте Владычного двора и строился примерно до 1050 года вместо сгоревшего перед этим 13-главого деревянного храма 989 года, однако не на том же месте, а севернее.
По другой Софийский собор заложил Ярослав Мудрый. В 1046 году в Новгороде чуть севернее сгоревшей ранее 13-главной деревянной церкви. В это время город управлялся его сыном, Владимиром Ярославичем. Стройка шла довольно быстро, и епископ Лука освятил собор уже в 1050-1052 годах. Сначала храм решено было не белить, и оставить кладку открытой. Стены внутри также остались открытыми. Полностью храм стал белым только через сто лет, в 1151 году.
Строительство было масштабным — на работы затрачено, согласно сохранившимся летописным документам, примерно 10000 кубометров кирпича и камней.
Освящён собор был по данным разных летописей в 1050 или 1052 году епископом Лукой.
В своей молодости храм несколько отличался от того, что можно сейчас увидеть в Великом Новгороде — стены громады не были побелены ни внутри, ни снаружи, лишь цемянка (известковый раствор с кирпичной крошкой) покрывала своды (которые были украшены еще и фресками), апсиды и барабаны.
Вероятно, сказалось на подобном убранстве сильное еще в то время влияние Константинополя, где стены храмов покрывались мрамором, а своды украшали мозаикой.
На Руси же мозаику заменили фресками, а с мрамором поступили проще, используя вместо него известняк.
Собор представляет собой пятинефный крестово-купольный храм. Храмы подобного типа строились на Руси только в XI веке, к ним, помимо новгородской Софии, относятся: Софийский собор в Киеве и Софийский собор в Полоцке, а также Киевская. У храма имеется три апсиды — центральная пятигранная, и боковые — округлые. С трёх сторон центральное строение окружают широкие двухэтажные галереи. Время возникновения галереи и её первоначальный вид являются предметом научных споров, но, вероятно, она возникла уже в процессе строительства храма. Собор имеет пять глав, (центральный купол золоченный, остальные свинцованные) шестая венчает лестничную башню, расположенную в западной галерее южнее входа. Маковицы глав выполнены в форме древнерусских шлемов.
Основание собора достаточно большое для того времени: ширина 24,8 метра, а длина — 27 (не считая примыкающих к зданию широких двухэтажных галерей, окружающих храм). Высота от пола до кончика креста, венчающего центральную главу собора, — 38 метров.
Стены храма, имеющие толщину 1,2 м, сложены из известняка разных оттенков. Камни не отделаны (подтёсана лишь выходящая на поверхность стен сторона), скреплены известковым раствором с примесями толчёного кирпича (т.н. цемянка). Арки, арочные перемычки и своды выложены из кирпича. В главной апсиде и в парусах под средним барабаном внутренние стены заполнены голосниками — керамическими сосудами округлой формы. В некоторых местах через отверстия голосники имеют выход во внутреннее пространство, благодаря чему, несмотря на значительный объём здания, эхо в нём отсутствует. Кроме того, применение в кладке пустотелых и одновременно округлых форм значительно снизило нагрузку барабана на подпружные арки.
Софийский собор использовался не только для богослужения. Он являлся местом, где проходили различные государственные акты и торжественные церемонии, устраивались, например, приемы иностранных церемонии, здесь размещались библиотека и архив древнего Новгорода, хранились исторические ценности города, образцы мер и весов. Под звон Софии на площади перед собором собиралось всенародное вече, устраивались проводы воинов и встречи победителей. Церковь Святой Софии имела патрональное значение для Новгорода и всей его земли. Там хоронили владык, иногда князей и тех граждан, которые особенными подвигами и услугами отечеству удостаивались по смерти такой чести, преимущественно, когда они положили голову в бою за веру и новгородскую свободу. Быть погребенным во храме Святой Софии считалось самою высокою честью.
Новгородского архиепископа избирали на вече. Имена кандидатов писали на жребиях, которые клали на престол собора Святой Софии. Служили литургию. После окончания богослужения тянули жребий, который и определял имя нового владыки. Новгородцы считали, что именно таким образом лучше всего совершается божественное волеизъявление. Они говорили: «Не хотим избрания от человека, а желаем принять извещение от Бога — кого Бог захочет и Святая София».