Isidoro de Mileto, juntamente com Antemio de Trales (Trales e Mileto são cidades vizinhas localizadas na Ásia Menor) construíram a grande Basílica de Santa Sofia em Constantinopla. A igreja começou por Constantino foi destruída durante a revolta de Nika em 15 de janeiro 532. Justiniano ordenou imediatamente uma nova igreja a ser construída no mesmo local, e que, segundo o historiador e também arquiteto Procópio de Cesaréira, eram os únicos sábios capazes de concretizar aquela obra.

No espaço surpreendente de cinco anos Antemio e Isidoro ergueram um dos edifícios maiores . A cúpula repousa sobre quatro grandes arcos surgindo a partir de quatro pilares enormes; que eram naquele tempo um novo dispositivo arquitetônico. Como na Igreja de São Sérgio e São Baco, na mesma cidade, conhecida como "Pequena Santa Sofia", as tensões do domo central são compartilhadas por meia-cúpulas. Essa solução mostrou-se muito forte, pois desde o século VI a basílica já passou por mais de 30 terremotos e diversos restauros, e continua de pé.

Isidoro era um matemático de grande reputação. As notas do matemático e contemporâneo Eutócio de Ascalão, em seus Livros I e II de Arquimedes sobre a esfera e o cilindro, indicam os estudos de Isidoro sobre o tema. É provavel que a partir destes conhecimentos sobre as propriedades da esfera e do cilindro tenham dado subsídios para que Isidoro e Antêmio construíssem as cúpulas e arcos da basílica.

As notas de Eutócio, Procópio de Cesaréia e outros matemáticos antigos são as evidências de que Isidoro tinha uma escola em Constantinopla, e parece ter sido nessa escola que se conservou e se traduziu as obras de Arquimedes.