Le site au début des études en vue de sa restauration, 1915
En 1910-11 le professeur Bogdan Filov, l'un des pères de l'archéologie bulgare, découvre la structure de la plus ancienne église au sein de l'édifice. Elle se composait d'un nef, avec abside et deux panneaux (un dans l'abside, "Le Paradis", découvert en 1983 par le professeur V.Dobrouski et l'un dans le naos, dans la partie occidentale, avec motifs géométriques, étudié par le professeur B.Filov). Cette première église fonctionna probablement jusqu'aux invasions des Goths dans la période entre 376 et 382.
Après la remise en état et en service de 1930 de nouvelles études archéologiques furent entreprises et qui continuent jusqu'à nos jours. Le professeur B.Filov entama à nouveau son étude et sa restauration, aidé par l'architecte Alexandre Rachenov. En 1955, ensemble avec l'église rotonde Saint Georges, l'église Sainte-Sophie est placée sous le statut protégé du monument du patrimoine.
Les études menèrent à la découverte d'une seconde église, sous la forme d'une basilique à trois nefs avec une abside du côté oriental (de type syrien). Pour le nef central était utilisé le naos de la première église. La construction de cette seconde église est rapportée au règne de l'empereur Théodose Ier (Flavius Theodosius Augustus) (379-395). Sa destruction survint vers la fin du IV siècle.
La troisième église qui fut découverte se présentait à nouveau comme une basilique à trois nef, avec un narthex et une abside du côté oriental, comme une extension de la seconde église. Le sol était recouvert de mosaïques polychromes présentant des motifs géométriques et floraux. La datation de cette église la situe entre la fin du IV siècle et le début du V siècle. Sa destruction (qui mena à sa restauration par Julien le Grand au VIe siècle) est reliée à la grande invasion des Huns du milieu du V siècle.
A l'occasion de la construction du mémorial dédié au soldat inconnu, les ouvriers découvrirent un vaste réseau de catacombes relatives à la période néo-chrétienne (IV siècle). Elles s'étendaient également sous les fondations de l'église et des travaux archéologiques d'étude et mise en valeur ont été menés jusqu'en 2013.