Szkicowy przekrój Hagia Sophia nocą Nawa główna Muzułmańskie żyrandole z lampkami do składania życzeń Mihrab w miejscu dawnego ołtarza Ornament wewnątrz

Budowa pierwszego kościoła w formie bazyliki o drewnianym stropie została rozpoczęta już podczas panowania Konstantyna Wielkiego, w 326, i zakończona w 360 przez jego syna Konstancjusza II. Po zamieszkach w 404 kościół spłonął i został odbudowany w 415, podczas panowania Teodozjusza II. Świątynia znów została zniszczona 15 stycznia 532 podczas rewolty Nika. W tym samym roku Justynian I Wielki polecił inżynierowi i matematykowi Antemiuszowi z Tralles i architektowi Izydorowi z Miletu rozpocząć odbudowę. Według Prokopiusza z Cezarei cesarz brał czynny udział w planowaniu kościoła i rozwiązywaniu detali architektonicznych. Jak mówi legenda, cesarz czerpał inspiracje z rozmów prowadzonych z aniołem, zaś otwierając kościół w 537 miał powiedzieć: „Salomonie! Prześcignąłem Cię!” (Νενίκηκά σε Σολομών! – Nenikeka se Solomon!) – jednak według Anny Różyckiej-Bryzek słowa te przypisano cesarzowi dopiero w IX wieku[1].

W 558 kopuła kościoła zapadła się podczas trzęsienia ziemi, następnie zaś kościół wielokrotnie płonął, ale za każdym razem szybko go remontowano. Kolejnym ważnym wydarzeniem w historii Hagii Sophii był okres ikonoklazmu, gdy – począwszy od 726 – z polecenia Leona III niszczono wizerunki Jezusa Chrystusa, Marii z Nazaretu i świętych. Okres ten zakończyła na dobre w 843 cesarzowa Teodora, wdowa po Teofilu, będąca wówczas regentką w imieniu syna, Michała III.

W 989 kopuła świątyni została po raz ostatni zburzona przez trzęsienie ziemi. Budowę nowej kopuły, zakończoną w 991, przeprowadził ormiański architekt Trdat.

Kościół został ograbiony i zbezczeszczony w 1204 przez rycerstwo zachodnie podczas IV krucjaty. Do odzyskania Konstantynopola w 1261, za panowania Michała VIII Paleologa, kościół służył katolikom.

Ostatnie nabożeństwo odbyło się 28 maja 1453, brali w nim udział zarówno prawosławni, jak i katoliccy obrońcy Konstantynopola. Tamten pamiętny wieczór tak opisuje Donald M. Nicol[2]:

W 1453 Turcy osmańscy zdobyli miasto, a sułtan Mehmed II zaraz po jego opanowaniu wydał rozkaz, aby Hagię Sophię natychmiast przekształcono w meczet. To do niej udał się na pierwszą piątkową modlitwę po zdobyciu miasta[3]. Turcy dokonali konserwacji i napraw nadwerężonej konstrukcji, m.in. poprzez budowę dodatkowych przypór[4] oraz rozpoczęli przystosowanie jej do funkcji meczetu. Wśród zmian należy wymienić zakrycie części chrześcijańskich mozaik, z wyjątkiem Matki Boskiej w apsydzie i serafinów w pendentywach, wyłożenie posadzki dywanami i budowę mihrabu, drewnianego minaretu i minbaru[3]. Dwa serafiny w pendentywach pozostały odkryte, ich twarze zakryto jednak metalowymi osłonami w kształcie gwiazd, a dwa pozostałe odtworzono jeszcze w okresie osmańskim, jednak w formie fresków[5]. Po osmańskim podboju wiele mozaik pozostało odsłoniętych i widocznych do XVIII wieku, a niektóre mozaiki mogły być zakryte na rozkaz sułtanów, chcących chronić je przed ortodoksyjnymi muzułmanami[6].

W XVI wieku kolejnych przeróbek dokonał architekt Mimar Sinan, który wzmocnił konstrukcję kopuły i zbudował murowane minarety[3], które oprócz funkcji religijnej miały także wzmacniać konstrukcję budynku[4]. Na przestrzeni wieków kompleks świątynny rozbudowywano i ozdabiano, dodając elementy takie jak biblioteka, loża sułtańska, medaliony z kaligrafowanymi imionami Mahometa i kalifów, mauzolea sułtanów, medresa, fontanna do ablucji[3] czy brązowe lampy po obu stronach mihrabu (prezent Sulejmana Wspaniałego). Hellenistyczne marmurowe sześciany przy głównym wejściu zostały natomiast sprowadzone z Pergamonu na polecenie Murada III. Medresa zbudowana za panowania Mehmeda II została rozebrana w XVII wieku, a odbudowano ją w XIX wieku. Resztki pierwszej medresy odkryto natomiast w czasie wykopalisk w 1982[4]. Ze względu na powstanie budowli jako świątyni chrześcijańskiej mihrab jest odchylony o 10° od osi budynku, by mógł wskazywać położenie Mekki.

W latach 1847–1849 miał miejsce gruntowny remont, prowadzony pod nadzorem szwajcarskich architektów[4], braci Giuseppe i Gasparego Fossati[6]. W czasie prac odsłonięto i odrysowano zachowane mozaiki, po czym zatynkowano je z powrotem[3]. Bracia Fossati w czasie prac remontowych pozbawili mozaiki serafinów ich twarzy, a także odtworzyli dwie z czterech oryginalnych mozaik, które nie zachowały się do tamtych czasów[7]. W czasie tego remontu dodano także osiem wielkich medalionów z kaligrafią arabską, które Kazasker Izzet Efendi wykonał w miejsce starszych medialionów[8].

W 1894 Hagia Sophia poważnie ucierpiała w trzęsieniu ziemi, które zniszczyło część dekoracji[6].

Po upadku imperium osmańskiego Turcja stała się świecką republiką. W związku z tym Mustafa Kemal Atatürk w 1934 polecił, aby świątynia, która przez 916 lat służyła chrześcijanom, a przez 481 lat muzułmanom, została zmieniona w muzeum. Z posadzki zdjęto wówczas dywany, a ze ścian tynk, odsłaniając niektóre mozaiki[3]. Odsłonięte zostały głównie mozaiki w górnych galeriach, natomiast te w głównej nawie pozostały w większości zakryte[8]. W 2009 usunięto metalowe gwiazdy zasłaniające twarze dwóch serafinów[5].

W 1979 podczas swojej pielgrzymki do Turcji Hagię Sofię odwiedził papież Jan Paweł II[9], w 2006 papież Benedykt XVI[10], a w 2014 uczynił to papież Franciszek[11].

W 2016, po raz pierwszy od dokonania w 1935 ustawowej sekularyzacji świątyni, muezin zaintonował w jej wnętrzu ezan, wezwanie muzułmanów do modlitwy. Wydarzenie było transmitowane na żywo przez telewizję państwową TRT. Przyjmuje się, że odejście od świeckości muzeum nastąpiło na polecenie prezydenta Recepa Erdoğana[12].

W lipcu 2020 sąd administracyjny w Turcji unieważnił dekret z 1934, przekształcający Hagię Sofię w muzeum. Po tej decyzji prezydent tego kraju wydał dokument stwierdzający, że od 24 lipca miejsce to na nowo będzie pełniło funkcję meczetu, czyli miejsca modlitwy muzułmanów. Przeciwko takiej decyzji protestowały władze USA, Francji i Grecji, a także Hieronim II, zwierzchnik greckiego Kościoła prawosławnego oraz Ekumeniczny Patriarcha Konstantynopola Bartłomiej I, duchowy zwierzchnik około 300 milionów prawosławnych na całym świecie. Smutek z powodu tej decyzji wyraził także papież Franciszek. Powodem licznych sprzeciwów w tej sprawie był fakt, że budowla powstała jako świątynia chrześcijańska, która do 1453 była miejscem kultu dla wyznawców chrześcijaństwa wschodniego (od XI w. prawosławnych)[13][14]. W pierwszym nabożeństwie 24 lipca 2020 wzięli udział prezydent Recep Erdoğan i członkowie rządu[15].