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十字式，顾名思义，其布局不像集中式那样是圆形，而是一个十字，之所以采取这样的布局可能和基督教对十字架的崇拜有关系。中央的大厅仍然以一个穹隆为主体，但大厅往四周各伸出一个矮矮的“翼廊（Wing）”。如果是在帝国东部，四个翼廊的大小是一样的；如果是在帝国西部，则有一个翼廊长一些。后世分别称之为“希腊十字”和“拉丁十字”。图49是现存最早的十字式教堂——罗马的加拉·普拉西提阿（Galla Placidia）墓（公元5世纪），外部看似乎是四方的中厅，里面却是一个穹隆。请注意，这里的穹隆直径仅3米，所以令后世建筑师头痛的一个问题现在暂时还没有暴露出来。
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图49：加拉·普拉西提阿墓
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公元5世纪下半叶，西哥特人灭亡了西罗马帝国。现今欧洲的大部分，特别是西欧，从此陷入文明的黑夜。从建筑的角度上说很明显，大概有三四个世纪的时间，西欧建筑都没有什么发展，其主要的样式仍只有上面提到的三种教堂。更有甚者，这一时期统治西欧的天主教强调“无知是福”，几乎全面否定了希腊-罗马文明，导致学术研究水平下降，许多技术失传。罗马城中许多建筑被荒弃，甚至成了任人取用的采石场。这一点和圆明园被焚之后的命运很相似。
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但在以君士坦丁堡为首都的东罗马帝国，局势相对稳定。由于统治这里的东正教（又称“希腊正教”）对希腊-罗马传统文化比较宽容，所以文明仍然继续着，虽然创造力已大不如前。到15世纪东罗马帝国灭亡之前，这里的建筑已形成了相当出色的风格，建筑史上称为拜占庭时期。
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毋庸讳言，拜占庭时期的建筑仍然是以教堂为主。在前面提到的三种早期教堂形式的基础上，他们作出了独特贡献。他们好像对穹隆有偏爱：在原来厅堂式教堂的中厅顶上，他们要加上穹隆；像十字式教堂那样中央已有穹隆的，他们就加大跨度。但前面所说的隐藏的问题就出来了：厅堂的中厅是方形的，十字的相交部分也是方形的，那么，要如何将一个圆的穹隆放置在方形的厅上呢？
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他们的对策是发明了“内角拱”（Squinch，图50，注意穹隆是怎样通过它坐落在四方的墙上的）和“帆拱”（Pendentive，图51，注意，它的上面可以很方便地加上穹隆，而下面已经是四方的了）。
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图50：内角拱 图51：帆拱 拜占庭建筑的代表作品是现在土耳其伊斯坦布尔的圣索菲亚清真寺（图52，现已改为博物馆）。它原来的名字是圣索菲亚大教堂。这里曾经是东罗马帝国的国家教堂，建于公元6世纪。关于它的历史简直可以写一本书。首先，要知道它最初的设计是在厅堂式教堂上面加大穹隆，穹隆的重量通过四个帆拱（图53中可见两个）传递到四个大柱墩上。但柱墩毕竟是分离的，不是万神殿那样的一圈厚墙。柱墩也不能造得太厚，否则中厅内部的空间就受到影响了。所以如何平衡掉穹隆施加的外推力是最大的问题。于是设计者在大穹隆的两侧加了两个小一些的穹隆来分担重量，再加上帆拱、柱墩来撑住小穹隆。这样还嫌不够稳，厅堂内部、外部还使用了大量的拱来承重。其结果就是现在这样层峦叠嶂般的一番景象。建筑技术本身在这里已经具有了艺术感。
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图52：圣索菲亚博物馆外部
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图53：圣索菲亚博物馆
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应该说这样的努力还是有效果的，中央大穹隆的顶离地面近55米（约18层楼高的一个完整室内空间），内部的空间极为宽敞。据说在它落成时，查士丁尼（Justinian）皇帝自豪地向《圣经》中的神话人物叫板：“所罗门王啊，今天我终于胜过你了！”但穹隆的外推力到底没有得到充分的平衡。土耳其又属于地震多发地带，历次大地震对圣索菲亚大教堂都有损害，穹隆总是被震塌。修复时人们总以为是穹隆向下的压力太大，于是加固拱，这当然没有解决问题。15世纪后，伊斯兰教进入这里，大教堂被改成清真寺（图52中可见的四座尖塔就是这个时期加上的）。伊斯兰建筑师认识到是外推力太大，于是在大穹隆周围加了四个有小圆顶的塔楼（图52中大穹隆边上可见两个），以期能彻底稳定住。到了19世纪，大地震又一次震坏了穹隆，这次来解决问题的是两个意大利建筑师。他们经过计算（感谢上帝，力学终于进步了！），发现问题的核心还是没有完全平衡掉外推力。在不改变已有建筑的原则下，他们用四根铁索像孙悟空头上的金箍一样从外面捆住大穹隆，给予它额外的向内约束，问题终于到此为止。虽然这一切现在都成了文物，但在建筑史上，它们还是被归于不应该发生的事例。
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出于同属东正教信仰的关系，圣索菲亚大教堂对于东欧建筑的影响是难以估量的。这种在方厅上加圆穹隆的做法为许多地方的教堂所仿效。还好他们没有皇帝那样大的野心，所以造成的损失也小。而在西欧，也有仿效它的。比如威尼斯的圣马可（St Marco）教堂（建于11世纪，见图54，很多装饰都是后来加上的）。
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图54：威尼斯的圣马可教堂
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拜占庭时期建筑的特点，除了对穹隆的偏爱之外，就是马赛克（Mosaic）技术的大量使用。这种用涂有色彩的小陶瓷片来拼组图案的方法在罗马帝国初期就已经很盛行了。著名的庞贝城就出土了不少。但是把马赛克大量地用在教堂内部的装饰上，是拜占庭时期的特色。耶稣、天使、圣徒等形象都是这样拼组出来的（图55就是建造圣索菲亚大教堂的查士丁尼皇帝的像）。后世的教堂虽已没有这样的习惯，但许多教堂的窗户仍在用不同颜色的玻璃拼出一些图案或者人像来，这就是马赛克技术的遗风。
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图55：查士丁尼皇帝的马赛克像
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拜占庭帝国到了后期逐渐走向衰落。而这时的西欧正走出文明的黑夜，出现一派生机盎然的景象。
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