La basilique actuelle est le troisième édifice construit à cet endroit, les premiers ayant été détruits lors d'émeutes ou de catastrophes.

La première Sainte-Sophie, cathédrale chrétienne du IVe siècle, avait été commencée sous Constantin, fondateur de l'Empire, en 325.

En janvier 532, une sédition urbaine, l'émeute de Nika, incendia la première église Sainte-Sophie. L'empereur Justinien (527-565) ordonna aussitôt l'édification de la nouvelle Sainte-Sophie, selon un parti d'une hardiesse sans précédent.

Elle devint alors une magnifique basilique byzantine, ornée de mosaïques et d'or, cathédrale de Constantinople dédiée à la sagesse divine (Hagia Sophia).

Cinq ans et demi plus tard, le 27 décembre 537, elle était solennellement inaugurée. Le plan ne possède guère d'antécédent, combinant plusieurs types avec une exceptionnelle réussite. Son axe longitudinal le rattache au plan basilical, tandis que le carré central surmonté d'une immense coupole le rapproche du plan centré. Un vestibule ouvre sur la nef principale qui est séparée des bas-côtés par une série de colonnes de marbre et terminée par une abside. Un carré central, limité par quatre puissants piliers, supporte une énorme coupole, à l'origine pratiquement suspendue dans le vide, de 30 m de diamètre et culminant à près de 55 m. Pour réaliser une telle prouesse, il fallut faire appel non à des architectes, mais à deux mathématiciens et ingénieurs : Anthémios de Tralles et Isidore de Milet. La coupole centrale repose sur les quatre gros piliers construits en pierres de taille, alors qu'elle est contrebutée à l'est et à l'ouest par les deux demi-coupoles de l'avant-nef et du sanctuaire, elles-mêmes maintenues par des demi-coupoles d'angle. À l'extérieur, de puissants contreforts épaulent l'ensemble. Selon les textes, le monument était le centre de grandes manifestations liturgiques et impériales. Sous la coupole symbolisant le Ciel, l'empereur, lors de certaines cérémonies, s'avançait à la rencontre du patriarche afin que soient réunis les deux pouvoirs procédant de Dieu.

Sainte-Sophie offre le plus grand espace intérieur jamais construit.

Selon l'historien Procope, le monument montra des signes de faiblesse au fur et à mesure de sa construction. La coupole s'effondra en 558 : il fallut alors renforcer les arcs et boucher plusieurs ouvertures afin d'en construire une nouvelle encore plus élevée (6 m de plus). Des parties s'effondrèrent à nouveau et durent être reconstruites, notamment en 989 et en 1346.

Le 29 mai 1454, jour même de la conquête de la ville, Mehmet Il Fatih la transforme en mosquée. Un mihrab a été ajouté dans la niche et l'abside pour indiquer la direction de la Mecque, ainsi qu'un mimber ou chaire, placé sur la droite. Quatre minarets ont également été érigés. Les mosaïques ont été badigeonnées pour faire disparaître les images saintes, interdites par l'Islam. Enfin, des médaillons gigantesques portent des invocations en arabe, à la gloire d'Allah.

En 1935, la république d'Atatürk la désacralise et en fait un musée. La basilique n'est donc plus un lieu de culte. L'institut byzantin américain a entrepris la restauration des mosaïques.