Nota e famosa soprattutto per le sue stranezze architettoniche, è stata per molto tempo, nel secolo scorso, oggetto di studi di culto da parte di numerosi esperti. Non tutti gli aspetti sono stati completamente risolti, tuttavia ora prevale un quadro generale che vede l'edificio di epoca non anteriore al XII secolo e le peculiarità dovute principalmente ad una progettazione quantomeno approssimativa.

La facciata è curva a causa di cedimenti delle fondamenta avvenuti già durante la prima costruzione. La struttura era ancora nell'iniziale fase di costruzione durante il tremendo terremoto del 1117 che distrusse gran parte degli edifici padovani, compresa la Basilica di Santa Giustina.

Il tetto con volte a crociera è del XIV secolo, fino al allora era una copertura provvisoria di paglia. La struttura non era stata calcolata per sostenere l'enorme peso della nuova copertura e creò già da subito problemi statici tamponati con tiranti e sostegni al colonnato interno.

Il colonnato interno e gran parte del materiale da costruzione è di recupero, riciclato da rovine anche romane, cosa abbondante al tempo. Le colonne, completamente diverse una dall'altra, formano una sequenza molto bizzarra ma interessante ed affascinante. Persino i vari livelli sono lasciati all'improvvisazione del momento e denotano chiaramente molte fasi successive di lavorazione, però condotte in gran fretta ed in breve tempo.

Interessante la cripta sotterranea, probabilmente sulle tracce di un più antico edificio di culto romano. Proprio questo è l'aspetto che pone ancora notevoli dubbi interpretativi, individuabili in leggende e rari documenti antichi che indicano il luogo, proprio all'incrocio dell'importante strada romana Altinate all'uscita dal centro storico (di allora), sede di un importante tempio votivo tardo romano, collegato con una galleria sotterranea ad un altro sull'opposta sponda di un ramo del fiume Brenta dapprima e Bacchiglione poi, che all'epoca passava accanto. Nomi di luoghi e tracce storiche sono tuttavia fuorvianti ed insicuri. La stessa consacrazione a Santa Sofia s'innesta in queste leggende, condizionandone pesantemente le discussioni interpretative storiche.

La cosa più spettacolare è il grandioso emiciclo esterno dell'abside con i caratteristici nicchioni, in parte pieni e atti a sopportare importanti forze statiche. Risulta evidente che si pensava ad un perimetro di chiesa molto più grande, confermato anche da parti murarie laterali atte ad essere immaschiate con nuove cortine murarie mai erette. Certamente questa parte di struttura fu edificata dopo il terremoto, ma per molto tempo la chiesa fu lasciata in semi-abbandono e l'originale progetto, se mai ci fu, non fu completato.

Se la progettazione architettonica e la conduzione della fabbrica sono state del tutto carenti ed improvvisate, anche a causa del lungo protrarsi dei lavori e delle modeste disponibilità finanziarie, del tutto straordinaria è stata invece l'abilità delle maestranze. In particolare è evidentissima la bravura nel lavorare il laterizio, con numerose soluzioni altamente spettacolari. Era manodopera specializzata che proveniva dai cantieri veneziani, quali quello di San Marco e soprattutto di Santa Maria e Donato di Murano, con la quale vi sono numerosissime corrispondenze.

Restauri ottocenteschi e del secondo dopoguerra (1951-58) hanno rimosso gran parte dell'apparato decorativo e tutte le aggiunte barocche, compresi gli altari.

Nonostante tutto l'interno della chiesa, con la sua straordinaria nudità e semplicità, offre una bella emozione.