Возведение храма связано с переносом центра города со старого городища. Оригинальное здание собора не сохранилось, остались его фрагменты: остатки нижних стен и столпов, и апсид высотой около 11 метров. Архитектурное решение полоцкого Софийского собора сходно с одноимёнными храмами Киева и Новгорода. Это был пятинефный крестово-купольный храм с княжескими хорами, с выделенной алтарной частью в центральной апсиде с синтроном, с куполом диаметром 5,85 метра.
К храму прилегали пристройки: крещальня и лестничная башня на княжеские хоры. По летописям, можно предположительно сказать, что храм имел 7 глав. 4 купола располагались симметрично от главного, а крещальня и лестничная башня имели свои главы, что создавало свой композиционный образ общего вида. Главные отличия от Киева и Новгорода — это отсутствие галерей. Храм имел три апсиды, а не пять. Княжеские хоры открывались в центральное помещение двойными арками, опирающимися на 1 промежуточный столб. Есть вима (дополнительное членение в апсидной части подкупольного пространства), характерная для Византии.
Храм, подобно новгородскому, был расписан только фресками, тогда как в Киеве сочетались фресковая и мозаичная декоративная отделка храма. Строительством всех трех храмов, вероятно, занималась приглашённая из Константинополя артель. Главная идея храма — это вхождение жителей Полоцкой земли во Вселенскую церковь, напоминание о Софийском Соборе Константинополя, символ могущества княжеской власти.