圣索菲亚在曾作为基督教堂存在了916年，后又被改建为清真寺存在了481年。圣索菲亚博物馆于1935年对大众开放后，每年都吸引了不计其数的游客。
拜占庭历史学家（提奥非恩斯Theophanes、尼克坡罗斯Nikephoros、语法专家利恩Leon）等人以为：哈吉亚·索菲亚教堂的第一座修建建于康斯坦求斯（Constantius）一世（公元324－337年）统治时期。这是一座木顶长方形修建，在一次叛乱中被毁。目前这种构造曾经失传。
提奥多修斯（Theodosius）皇帝统治时期，对圣索菲亚停止了修缮，并于公元415年向大众开放。在公元532年的叛乱中，这个长方形教堂再次被烧毁。1936年的考古开掘中发现了这座修建的遗址，包括通往入口处的楼梯、圆柱、柱头和其它修建构件。
注斯提尼恩（Justinian）皇帝（公元527－565年）想建一座比前两座修建更雄伟的教堂，以意味帝国的实力和光彩。事先两位著名的修建师，即来自米利塔斯的依西多罗斯（Isidoros）和来自塔勒斯（Tralles）的安特密奥斯（Anthemios）掌管建筑了新的哈吉亚·索菲亚。少量的圆柱、柱头、大理石及彩石从安那托利亚地域的古城被运到伊斯坦布尔，用于圣索菲亚的修建工程。
修建工程于公元532年12月23日开工，公元537年12月27日完工。新教堂由一个雄伟的中殿和两侧的耳堂组成，用圆柱、圣坛、内前厅和外前厅来区隔。教堂主厅面积长100米宽70米。顶部的大穹顶（直径为30.31米）由4根55米高的巨柱支撑。
除了其共同的修建作风外，马赛克也是这一时期重要的墙面装饰资料。在内前厅和旁殿中可看到这些最陈旧的马赛克，镏金外表上带着几何和花草纹饰。在皇帝大门、圣坛、出口大门和楼上的画廊可看到9世纪到12世纪用马赛克拼出的人物外型图案（如耶稣基督和圣母玛利亚的肖像等）。
1453年奥斯曼大地攻陷伊斯坦布尔，宣告了 “土耳其时代”的降临。哈吉亚·索菲亚也阅历了数次翻修。拱形祭坛四周的艺术品代表了土耳其制陶及书法的最高境界。古兰经中的节选由著名的奥斯曼书法家卡杂斯克·穆斯塔法·依载特 ·埃分迪（Kazasker Mustafa Izzet Efendi）书写并镌刻在直径7.5米的圆形铭牌上。安拉（Allah）、穆罕默德（Muhammed）、奥玛尔（Omer）、奥斯曼（Osman）、阿里（Ali）、哈桑（Hasan）、埃部·贝克（Ebu Bekir）及侯赛因的名字也镌刻在此铭牌上。拱形祭坛的侧墙还挂着奥斯曼·苏丹书写并授予的铭牌。
苏丹·塞利姆二世、苏丹·穆罕默德三世、苏丹·穆拉特三世及其局部亲人的陵墓、穆罕默德一世的喷泉、小学、做汤的厨房、图书馆、苏丹·阿卜杜勒·迈吉德的会议室及清真寺的星学家住的房间都坐落在圣索菲亚博物馆内。上述文物，特别是陵墓的内饰、陶器和修建都是奥斯曼时期的佳作。
