Costruita tra il 527 e il 536, è la prima delle chiese commissionate da Giustiniano I nella capitale; i suoi titolari, Sergio e Bacco, erano martiri dal culto molto diffuso nell'Oriente cristiano. Rielabora in modo raffinato la pianta centrale, prendendo spunto da edifici della Siria. È fatta di due involucri uno dentro l'altro: l'esterno è un grande blocco di laterizio quasi cubico, da cui sporgono verso oriente un'abside a più lati e verso occidente il portico d'ingresso, il nartece; al centro otto massicci pilastri racchiudono un ambiente a otto lati, sormontato da una cupola divisa in spicchi. Nel 1513 diventa moschea.
Tra i pilastri corrono colonne che formano, a turno, esedre semicircolari e tratti di trabeazione diritta: un ritmo che ricorda le chiese milanesi dell'età di sant'Ambrogio, come la Basilica di San Lorenzo Maggiore. Intorno all'ottagono si sviluppano due gallerie sovrapposte: il corridoio di passaggio al piano terra, cioè il deambulatorio, e al piano di sopra il matroneo, dove durante le funzioni prendevano posto le donne.
Le pareti interne del cubo sono interrotte da absidi agli angoli e da molte nicchie; la luce che entra dalle finestre, aperte su tutti i lati, vi crea forti contrasti di chiaro e scuro. È probabile che l'effetto fosse ancora più intenso quando la luce si rifletteva sui mosaici, tolti nel 1513 con la trasformazione in moschea.
I capitelli a paniere, traforati così a fondo da sembrare quasi senza peso, sono una delle novità decorative dell'età giustinianea.