Η ιδιαίτερη προσοχή που δόθηκε στη διαμόρφωση του μνημείου αλλά και η κοινωνική, και όχι μόνο, εμβέλεια των χορηγών του έχουν αποτυπωθεί στο διάκοσμό του, ο οποίος ανάγεται κυρίως στο 13ο αιώνα. Το μωσαϊκό δάπεδο, ένας εξεζητημένος συνδυασμός διαφορετικών τεχνικών, αποτέλεσε αντικείμενο θαυμασμού για περιηγητές και μελετητές του 19ου αιώνα που επισκέφτηκαν το ναό, ενώ οι τοιχογραφίες του συγκροτούν ένα εικαστικό σύνολο ασυνήθιστης ποιότητας για τα δεδομένα της υστεροβυζαντινής Μικράς Ασίας. Σε αυτές διαπιστώνεται αίσθηση του χώρου, μια κλασική αντίληψη στην πλαστικότητα των μορφών, ποιότητα και φωτεινότητα στα χρώματα. Εντοπίζεται δηλαδή μια τάση αναβίωσης των κλασικών προτύπων ακριβώς συγκρίσιμη με εκείνη σύγχρονων σημαντικών μνημείων της βυζαντινής τέχνης, τα οποία αυτή την εποχή εντοπίζονται κυρίως στο σερβικό χώρο (π.χ. η Αγία Τριάδα στη Sopocani).
Ακόμη, τα γλυπτά που κοσμούν τα πρόπυλα του ναού συνθέτουν άλλο ένα μοναδικό καλλιτεχνικό σύνολο, κυρίως ως προς την προέλευση των αποτυπωμένων σε αυτά επιδράσεων αλλά και ως προς την ταυτότητα των τεχνιτών που δραστηριοποιήθηκαν και συνεργάστηκαν για τη δημιουργία τους. Στη γλυπτή διακόσμηση της Αγίας Σοφίας συνυπάρχουν οι εικονογραφικές παραδόσεις της Συρίας και του Καυκάσου με μοτίβα και τεχνικές του ευρύτερου ανατολικού χώρου, ενώ σε κάποιες περιπτώσεις δεν αποκλείεται να υπάρχει έμμεση κωνσταντινουπολίτικη επίδραση. Πρόκειται για μια πολύ ενδιαφέρουσα μαρτυρία που αφορά τις σχέσεις των διαφορετικών πληθυσμιακών ομάδων στην περιοχή, η οποία εμπλουτίζει τις γνώσεις μας για το ναό της Αγίας Σοφίας και ταυτόχρονα καταδεικνύει τον κεντρικό και πολυδιάστατο ρόλο της πόλης της Τραπεζούντας.