Crkva sv. Sofije smjestila se u Dvigradu, mjestu gdje su se nekada nalazila dva kaštela, danas vidljivi ostaci samo jednog, Moncastela. 

Crkva je sv. Sofije nalazi se na središnjoj i najvišoj zaravni Dvigrada, na glavnom trgu te u cijelosti dominira gradskim ruševinama. Sustavna istraživanja započela su pedesetih godina prošlog stoljeća, a otkriveno je da se crkva gradila u nekoliko faza, od kojih prva datira u 5. stoljeće. Najstariji ostaci ujedno su i najlošije očuvani, a prva crkva je starokršćanska građevina, jednobrodna s upisanom apsidom čiji se fragment jedini očuvao. U kasnijoj fazi gradnje pretvorena je u trobrodnu dvoransku crkvu s tri apside.

U 9. ili 10. stoljeću dograđene su krstionica i zvonik, a potom u ranoj romanici i kapelica. Svoj današnji izgled sv. Sofija dobiva za vrijeme romanike, najvjerojatnije u 13. stoljeću iako postoje mišljenja da se to zbilo ranije, tijekom 11. ili 12. stoljeća. Monumentalna građevina ima pravokutni tlocrt, ravno začelje s apsidama, u tlocrtu polukružnih, od kojih je srednja viša i veća. Crkva je tada znatno proširena i produljena te iako je središnji brod trobrodne bazilike neznatno uži od prijašnje predromaničke crkve, dvostruko je širi od bočnih. Brodovi su odijeljeni s pet četvrtastih stupova, a crkva je imala i ciborij ukrašen biljnim, geometrijskim i figurativnim motivima.

Svjetlost je ulazila kroz 12 visokih polukružnih prozora na povišenim zidovima središnjeg broda te kroz prozorske otvore na pročelju. Unutrašnjost crkve bila je ukrašena freskama, dok je vanjski plašt dekoriran plitkim nišama. Dio crkvenog repertoara bila je i šesterostrana propovjedaonica koja je kasnije prenesena u crkvu sv. Silvestra u Kanfanaru, kao i brojni drugi kameni fragmenti i freske koji su smješteni u muzejske zbirke.