圣索菲亚教堂最引人注目的部分，是那饱满而巨大、高达48米的洋葱头式的大穹顶，这种典型俄罗斯建筑风格的屋顶形式，宏伟壮观，可以同莫斯科的瓦西里升天大教堂相媲美。教堂的墙体采用清水红砖，大穹顶周围是四个大小不同的帐蓬顶，四个顶下的楼层之间有楼梯相连，整个教堂前后左右有四个门出入。正门顶部为钟楼，内有7座铜铸制的乐钟（据说已经遗失）。

教堂改建成艺术馆后，进行了内部改建，通过展示近千幅图片和城市规划沙盘，反映了名城哈尔滨的历史、现状与未来。不过改建后，原有的格局被破坏了，作为教堂的功能也已经消失了。如果游客只是对建筑和教堂感兴趣，可以不必入内参加。

教堂前的广场有“广场鸽”，还设有大型系列音乐喷泉，当地人非常喜欢在这里拍婚纱照。与白天相比，教堂的夜景更美丽，每当夜幕降临时，在灯光的承托下，教堂更显得雄伟神秘，充满异国情调。