L'architecture néo-byzantine est un style de la deuxième moitié du XIXe siècle et du début du XXe siècle. Elle fut employée notamment dans les édifices publics et religieux. L'architecture néo-byzantine intègre des éléments de l'architecture byzantine associés à des éléments empruntés à l'architecture chrétienne médiévale de l'Europe de l'Est, notamment orthodoxe, telle qu'elle s'est développée à Constantinople et, plus généralement, dans l'Empire byzantin entre les Ve et XIe siècles.
Ce style se caractérise par l'emploi d'arcades et de voûtes en plein-cintre et de dômes ; il recourt à la brique, au stuc et, dans la décoration, à la mosaïque.
Eglise Saint-Marc à Belgrade (Serbie)
Le style néo-byzantin s'est d'abord développé dans la Russie impériale et dans l'Europe de l'Est, de la cathédrale de Sophia (près de Saint-Pétersbourg), qui date de 1782, à la cathédrale Alexandre-Nevski de Sofia (en Bulgarie), qui a été construite en 1882. En Russie, elle a été popularisée par l'architecte Constantin Thon, qui y mêlait des éléments néoclassiques et des éléments de l'architecture russe traditionnelle. À Belgrade, en Serbie, le style néo-byzantin s'est prolongé dans les premières décennies du XXe siècle, avec l'église Saint-Marc, construite de 1931 à 1940 par Petar et Branko Krstić ou encore la Cathédrale Saint-Sava, construit à partir de 1935 sur des plans de l'architecte Aleksandar Deroko. Dans tous ces pays, l'architecture néo-byzantine est ressentie comme vernaculaire.
De 1850 à 1880, à Bristol (Royaume-Uni) s'est développé un style connu sous le nom de Bristol Byzantine ; il fut fréquemment employé dans les bâtiments industriels et mêlait des éléments d'architecture byzantine et des éléments d'architecture mauresque. En France, quelques exemples sont notables.
Basilique du Sacré-Coeur à Nancy
Aux États-Unis, l'architecture néo-byzantine est présente dans plusieurs bâtiments du campus de l'université Rice au Texas, à l'église Saint-François de Sales de Philadelphie et à la basilique du sanctuaire national de l'Immaculée Conception construite entre 1920 et 1959 à Washington D.C.. Au début des années 1980, le célèbre architecte américain Philip Johnson a conçu une annexe post-moderniste au Cleveland Play House ; ce bâtiment reflète des influences byzantines.