Konstantin med en modell av sin nya huvudstad inför Gudsmodern och Jesubarnet (utanför bild). Konstantin hade ännu inte låtit döpa sig då han grundade sin nya huvudstad och dedicerade den heller aldrig till Jungfrun. Konstantinopels roll som "Jungfruns stad" härstammar istället från den belägring 626 då hennes bild apotropeiskt sattes upp på Konstantinopels murar. Mosaik i södra ingången till kyrkans förhall. Omkring 1000 e.Kr. Hagia Sofias nedre plan. Hagia Sofia 1857.

På Haga Sofias plats stod under antiken ett Apollontempel. Då Konstantin flyttade romerska rikets huvudstad till Bosporen lät han ersätta alla hedniska tempel med kristna kyrkor. På Apollotemplets ruiner grundade han den första kyrkan på platsen, en basilika som färdigställdes av hans son Constantius II och invigdes 360.

Den ursprungliga kyrkan brändes ned av en uppretad folkmassa 404. Theodosius II lät återuppföra kyrkan som återinvigdes 415.

Under Nikaupproret den 15 januari 532 brändes även denna kyrka ned. Sedan Justinianus I slagit ned upproret nöjde han sig inte med att blott restaurera kyrkan, utan ville ersätta den med något i hans mer spektakulära och monumentala smak. Han kallade därför till sig två professorer vid universitetet i Konstantinopel: Anthemios från Tralles, en mekanike, en berömd matematiker med god kunskap i geometri, och Isodoros från Miletos, en mekanopoios, en ingenjör förtrogen med monumenten i Rom och känd som expert på valvslagning.

Anthemius avled redan under det första året men Hagia Sofia kunde sedermera invigas den 27 december 536. Enligt hovpoeten Paulos Silentiaros utropade Justinianus då:

Gud vare ära, som funnit mig värdig att fullborda detta byggnadsverk. Salomo, jag har överträffat dig!.[1]

Hagia Sofia dominerade stadsbilden och fick omedelbart en mycket central roll i den bysantinska huvudstaden med sin placering vid Konstantintorget intill det kejserliga palatset och hippodromen. Hippodromen och Hagia Sofia blev de byggnader där alla Konstantinopels många stora högtider, festivaler och processioner ägde rum. Båda byggnaderna var enorma och mycket påkostade och tillsammans tjänade de den allsmäktige kejsaren och den ende guden. Hippodromen sägs ha rymt 100 000 människor och Hagia Sofia uppfattades som en gyllene stad med gator, torg, fasader och en egen gyllene stjärnhimmel. Uppskattningsvis arbetade 600 personer vid kyrkan.

Historikern Prokopios beskrev i sin De Aedificiis ("Om byggnadskonsten"):

Ljuset tycks flöda utifrån men samtidigt alstras inuti. Strukturen är solid, men skänker en känsla av osäkerhet. Kolonnerna utför en rytmisk kordans. Pelarna ter sig som nakna bergstoppar. Valven tycks sväva och kupolen vara upphängd i en gyllene kedja i himlen. Synvinklarna skiftar, medan rumsenheterna följer varandra i en klar sekvens.[1]

Jordbävningar i augusti 553 och 14 december 557 skapade sprickor i den första kupolen som störtade samman helt under ytterligare en jordbävning 7 maj 558 varpå den ersattes av en högre kupol, ritad av Isidoros d.y. och byggd av lättare material (Isidoros d.y. rekonstruerade även klerestorieväggarna). Den nya kupolen reste sig 55,6 meter över marken och inför återinvigningen 23 december 562 författade Paulos Silentiaros en lång dikt som med stor detaljrikedom beskriver Hagia Sofias dåvarande utseende:

[Marmorn var] vårgrön från Krystos och mångfärgad från Frygien där rött och silver lyser som blommor. Krokus glimmar som guld. Mjölk uthälld på svart kött. Blåklint växer i drivor av snö.

Kupolens västra del störtade in 989 och reparerades av den armeniske arkitekten Trdat.

Då storfursten av Kiev, Vladimir, skulle göra sitt trosval skickade han sändebud till Konstantinopel där de en helgdag fördes till Hagia Sofia "och där under de glittrande mosaikerna, i rökelseångorna och vaxljusens sken trodde de bländade unga bojarerna sig se bevingade varelser sväva i luften och höra dem sjunga 'Trishagion': 'Helig, helig, helig är Herren'"[2]. Då de återvände till Kiev berättade de:

Vi visste inte om vi var i himlen eller på jorden, ty på jorden finns ingen sådan skönhet. Vi vet inte heller vad vi ska säga, men en sak vet vi: det är att där bor Gud hos människorna...

Sedan fjärde korståget intagit Konstantinopel 1204 och staden hörde till Latinska riket förvandlades den ortodoxa kyrkan till en romersk-katolsk katedral och plundrades på dess många reliker och skatter.

Den östra delen av kupolen rasade 1346. Efter Konstantinopels fall inför osmanerna i maj 1453 red dess erövrare Mehmet II in i staden och begav sig genast till Hagia Sofia. Betagen av dess skönhet beslutade han att omvandla kyrkan till en moské. Han lät sina soldater plundra staden i tre dagar (men förbjöd vandalism av byggnaderna) och gjorde sedan staden till sin nya huvudstad.

Då Topkapipalatset uppfördes blev Hagia Sofia en av Istanbuls så kallade sultanmoskéer och fick det nya namnet Aya Sofya Camisi. För de osmanska härskarna blev det viktigt att överträffa den erövrade kulturens mästerverk och i mitten av 1500-talet lyckades den osmanske arkitekten Mimar Sinan genomföra flera ambitiösa mosképrojekt, bland andra Süleymaniye- och Selimiye-moskéerna i Istanbul, som tydligt inspirerats av Hagia Sofia, men med sina proportioner, menar många, överträffar dess skönhet.

År 1934, under Kemal Atatürk, sekulariserades Hagia Sofia och blev museum. Mosaikerna togs dock inte fram och byggnaden tilläts förfalla.

År 1993 rapporterade Unesco om murbruk som rasade från taken, lortiga marmorplattor, trasiga fönster, fuktskadade målningar och det eftersatta blytaket, och Hagia Sofia hamnade på World Monuments Watchs lista över de hundra mest hotade kulturarven. Sedan dess har en restaurering kontinuerligt pågått och 1998 konstaterade man att taket har lagats och skador som orsakats av fukt och kondens skulle tas i beaktande. Unesco efterlyste också att effekten av det stora antalet besökare skulle undersökas och om möjligt motverkas genom att förbättra ventilationen. Man efterlyste också en restaureringsplan och föreslog en utgrävning av området runt Hagia Sofia i hopp om att mer information om de byggnader som tidigare stod på platsen skulle uppdagas.

Trots att Turkiet, och då i synnerhet Istanbul, är ett av den muslimska världens mest sekulariserade länder, kan Hagia Sofias status fortfarande vara ett känsligt ämne, varför mosaikerna bara tas fram i långsam takt. Hittills har omkring en fjärdedel av mosaikerna restaurerats.

Konservativa religiösa organisationer har hela tiden verkat för att Hagia Sofia åter skulle bli moské. Under 2000-talet har Turkiet, med presidenten Erdoğan, gett de religiösa krafterna större inflytande. År 2013 var Erdoğan tveksam till förändring, men våren 2019 sade han vid ett par tillfällen att tiden var mogen. En grupp religiösa ifrågasatte lagligheten i sekulariseringen som gjordes 1934 och överklagade det beslutet till Turkiets förvaltningsdomstol. Den 10 juli 2020 kom beslutet och domstolen gick på gruppens linje och annullerade beslutet från 1934. President Erdoğan skrev på ett dekret som möjliggör för Hagia Sofia att bli moské. Det kritiserades av Unesco och stora delar av den internationella opinionen, men opinionsundersökningar i Turkiet visar att ungefär tre fjärdedelar stöder förändringen.[3][4][5]