Μετά τα εγκαίνια της Κωνσταντινούπολης στις 11 Μαΐου 330 μ.Χ., η ανέγερση ενός ναού αφιερωμένου στη Σοφία του Θεού υπήρξε τμήμα ενός ευρύτερου προγράμματος οικοδόμησης γύρω από το Μέγα Παλάτι. Η πρώτη εκκλησία της Αγίας Σοφίας εγκαινιάστηκε το 360 επί της αυτοκρατορίας του Κωνσταντίου Β΄ και μαζί με το ναό της Αγίας Ειρήνης αποτελούσε τον κύριο καθεδρικό ναό της πρωτεύουσας και έδρα του Πατριαρχείου της Κωνσταντινούπολης. Εικάζεται ότι επρόκειτο για ξυλόστεγη βασιλική, τρίκλιτη ή πεντάκλιτη[1]. Καταστράφηκε από πυρκαγιά το 404 και χτίστηκε εξαρχής τα επόμενα χρόνια. Ο νέος ναός εγκαινιάστηκε το 415 επί βασιλείας του Θεοδοσίου Β΄ και καταστράφηκε από τους οπαδούς του πατριάρχη επειδή ο Θεοδόσιος είχε μια διαμάχη με τον Πατριάρχη. Αν και λίγα συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν ως προς την αρχιτεκτονική αξία του οικοδομήματος, οι ιστορικές πηγές μαρτυρούν πως στο εσωτερικό του φυλάσσονταν ιερά κειμήλια μεγάλης αξίας, από χρυσό ή ασήμι. Σύμφωνα με τις πλέον πρόσφατες προσπάθειες αναπαράστασης του ναού, υποθέτουμε πως είχε εύρος 52 μ. αποτελούμενος από ένα κεντρικό κλίτος και τέσσερις διακριτούς διαδρόμους[2]. Υπέστη μεγάλη φθορά κατά τη Στάση του Νίκα το 532.

Το κτίσιμο της μορφής του ναού που διατηρείται έως και σήμερα δρομολογήθηκε από τον αυτοκράτορα Ιουστινιανό Α'.[3] Ως αρχιτέκτονες του ναού ορίστηκαν οι Μικρασιάτες γεωμέτρες Ανθέμιος από τις Τράλλεις και Ισίδωρος από τη Μίλητο. Η κατασκευή του ολοκληρώθηκε σε μικρό χρονικό διάστημα και τα εγκαίνιά του τελέστηκαν στις 27 Δεκεμβρίου του 537. Τότε, σύμφωνα με το θρύλο, ο Ιουστινιανός αναφώνησε «Δόξα τω Θεώ τω καταξιώσαντί με τοιούτον έργον επιτελέσαι. Νενίκηκά σε, Σολομόν!»,[4] θέλοντας έτσι να εκφράσει το θαυμασμό του για το μνημείο το οποίο ήταν πιο θαυμαστό από τον Ναό του Σολομώντα στα Ιεροσόλυμα. Τριακόσια και πλέον εκατομμύρια χρυσών δραχμών, κατ΄ αντιστοιχία, είχαν δαπανηθεί για την ανέγερση αυτού του Ναού. Τα "θυρανοίξια" της Αγιάς Σοφιάς ακολούθησαν διανομές χιλιάδων ελαφιών, βοών, προβάτων και ορνίθων και χιλιάδων μοδίων σίτου στους φτωχούς καθώς και πολυήμερη πανήγυρη.

Στο προαύλιο του ναού λέγεται πως υπήρχε κρήνη, στην οποία ανεγράφετο η καρκινική φράση «ΝΙΨΟΝΑΝΟΜΗΜΑΤΑΜΗΜΟΝΑΝΟΨΙΝ» (νίψον ανομήματα μη μόναν όψιν, δηλ. ξέπλυνε τις αμαρτίες σου και όχι μόνο το πρόσωπό σου). Η φράση αυτή, αν αναγνωσθεί ανάποδα (από δεξιά προς τα αριστερά) αποδίδει τις ίδιες λέξεις και επομένως και το αυτό νόημα.

Την εποχή του Ιουστινιανού, η Αγία Σοφία είχε χίλιους κληρικούς.[5] Η νεαρά του Ηρακλείου, που βασίλεψε τον έβδομο αιώνα μας αναφέρει:[5]

Σύνολο: 600

Ο αριθμός των κληρικών είχε ελαττωθεί κατά τα τελευταία έτη του κράτους, όταν τα εισοδήματα της εκκλησίας αρκούσαν μόλις για τη φωταψία του ναού.[5]

Είκοσι χρόνια μετά τα πρώτα εγκαίνια, εξαιτίας των σεισμών του 557, ο τολμηρότατος στη σύλληψη και κατασκευή, για την εποχή του, θόλος κατέπεσε και συνέτριψε την αψίδα παρά τον ιερό άμβωνα, τον ίδιο τον άμβωνα, το κιβώριο και την Αγία Τράπεζα. Ο ανιψιός του Ισιδώρου, ο Ισίδωρος ο νεότερος, ανέλαβε και έκτισε το νέο θόλο που υφίσταται μέχρι σήμερα. Μια περιγραφή του παραδίδεται από τον ιστορικό Αγαθία, από την οποία συμπεραίνεται πως ο αρχικός τρούλος ήταν μάλλον ευρύτερος και χαμηλότερος από το δεύτερο[1]. Στις 23 Δεκεμβρίου του 562 υπό τον Πατριάρχη Ευτύχιο τελέστηκαν τα δεύτερα εγκαίνια παρουσία του Αυτοκράτορα και του λαού της Κωνσταντινούπολης.[6]

Ο ναός αποτέλεσε σε όλη τη διάρκεια της Βυζαντινής Αυτοκρατορίας την έδρα του Οικουμενικού Πατριαρχείου Κωνσταντινουπόλεως και υπήρξε ο σημαντικότερος ναός της Ορθόδοξης εκκλησίας.

Κατά την περίοδο των Σταυροφοριών και συγκεκριμένα την περίοδο 1204-1261, ο ναός έγινε Ρωμαιοκαθολικός και μετά την Άλωση της Κωνσταντινούπολης το 1453 μετατράπηκε σε μουσουλμανικό τέμενος. Αυτές τις περιόδους η Αγία Σοφία υπέστη τεράστιες ζημιές, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια της άλωσης από τους Φράγκους.

Επιπλέον, κατά την περίοδο της Οθωμανικής Αυτοκρατορίας πραγματοποιήθηκαν στο ναό σημαντικές καταστροφές, καθώς ασβεστώθηκαν οι τοιχογραφίες εξαιτίας της ισλαμικής θεώρησης της απεικόνισης του ανθρώπινου σώματος ως βλασφημίας. Ο ναός με την σπουδαία αρχιτεκτονική του αποτέλεσε πρότυπο για την κατασκευή διαφόρων τεμενών, ανάμεσα στα οποία βρισκόταν και το Μπλε Τζαμί.

To 1934, ο Μουσταφά Κεμάλ Ατατούρκ στα πλαίσια του εκσυγχρονισμού της Τουρκίας μετέτρεψε το ισλαμικό τέμενος σε μουσείο. Μέχρι τον Ιούλιο του 2020 συνέχισε να λειτουργεί ως μουσείο, ενώ λάμβαναν χώρα και πολιτιστικές εκδηλώσεις. Μάλιστα, πραγματοποιούνταν και εκδηλώσεις για τις οποίες θεωρήθηκε από ορισμένους ότι δεν αρμόζουν στον συγκεκριμένο χώρο, όπως επιδείξεις μόδας. Οι προσπάθειες της UNESCO για τη διάσωση των ψηφιδωτών του ναού, συνεχίζονται μέχρι και σήμερα.

Στις 10 Ιουλίου 2020, το Συμβούλιο της Επικρατείας της Τουρκίας αποφάσισε υπέρ της δυνατότητας μετατροπής σε τέμενος. Αμέσως μετά ο πρόεδρος της Τουρκίας Ρετζέπ Ταγίπ Ερντογάν υπέγραψε τη σχετική απόφαση. Σε διάγγελμά του ο Τούρκος πρόεδρος προανήγγειλε ότι η πρώτη μουσουλμανική προσευχή θα πραγματοποιηθεί στις 24 Ιουλίου. [7]

Κατά της μετατροπής είχαν ταχθεί πολιτικές αρχές στις ΗΠΑ, την Ευρωπαϊκή Ένωση και τη Ρωσία καθώς και οι θρησκευτικές αρχές σε πλήθος χριστιανικών χωρών σε Κεντρική Αμερική, Υποσαχάρια Αφρική, Καραϊβική και Νότια Αμερική/[8][9], αλλά και η UNESCO, η οποία συγκαταλέγει το μνημείο από το 1985 στον Κατάλογο Μνημείων Παγκόσμιας Κληρονομιάς. Μάλιστα, η τελευταία ανακοίνωσε ότι στην επόμενη συνεδρίασή της θα επανεξεταστεί ο χαρακτήρας του μνημείου.[10]

Την έντονη αντίθεση και ανησυχία τους για τη μετατροπή, τόσο πριν όσο και μετά την ανακοίνωσή της, εξέφρασαν ο Οικουμενικός Πατριάρχης Βαρθολομαίος[11][12] και ο Πατριάρχης Μόσχας Κύριλλος.[13]

Στις 24 Ιουλίου 2020, έγινε η πρώτη προσευχή των μουσουλμάνων παρουσία του Τούρκου προέδρου Ταγίπ Ερντογάν.[14]