İstanbul’un Osmanlılar tarafından fethinden sonra Ayasofya, Sultan Fatih Mehmet’in emri ile camiye çevrilerek muhafaza edilmiş ve 1935′den müze haline getirilerek korunması sağlanmıştır. Ayasofya’nın bugünkü şekli,imparator İustinianos devrinde M.S. VI. yüzyılın birinci yarısında tamamlanmıştır.

Bununla beraber Ayasofya’nın, ilk defa Büyük Konstanjtinos’un imparatorluk merkezini Byzantion’a getirerek şehri onarmaya başladığı sıralarda (M.S. 326), kurulduğu kabul edilmektedir. Fakat bu bina çok küçük görüldüğünden veya diğer bir fikre göre, bir deprem sonunda yıkılmış olduğundan, imparatorun oğlu Konstantinos onu yeni baştan daha büyük ve süslü olarak yeniden inşa ettirmiş ve 15 Şubat 360′da açılışını yapmıştır. Basilika şeklinde ve üstü ahşap bir çatı ile örtülü olduğu tahmin edilen bu kilise, sarayın ve şehrin en büyük kilisesi olduğundan, Megale Ekklesia (=Büyük Kilise) diye anılıyordu. Fakat daha sonraları, V. yüzyıldan başlayarak, “İlâhî Hikmef’in remzi sayılan “Hagia Sophia” adı ön plâna geçmiş ve bu ad bütün Bizans devri boyunca devam edip Osmanlılar zamanında Ayasofya şeklinde yaşamıştır.

II. Konstantinos’un yaptırdığı kilise, devrin ünlü din adamlarından Patrik İoannes Khrysostomos’un sürgüne gönderilmesi üzerine başgösteren ayaklanmada (20 Haziran 404) yanıp harap olmuş; bunun yerine yeniden yapılan bina II. Theodosios devrinde (8 Ekim 415) tekrar halka açılmıştır.

II. Theodosios devrinde (532) Ocak ayının 13/14 gecesi, Hippodrom’da başlayan ve İustianos’un tahtını kaybetmesine sebep olacak derecede genişleyen bir ayaklanmada -Nika ayaklanması- şehrin büyük kısmı ateşe verildiği sırada Ayasofya da yakılmıştır.

Büyük yangından kırk gün sonra temeli atılan binanın 27 Aralık 537′de açılış töreni yapılmıştır. Ancak 7 Mayıs 558′deki bir depremde büyük kubbenin doğu tarafı yıkılmış, kilise onarılarak 2 Aralık 562′de tekrar açılmıştır.
Asıl kilisenin kapladığı alan kareye yakın bir dikdörtgen şeklindedir. Doğudaki.mihrap ile beraber iç yüzölçümü 80, 9 m. boy, (mihrapsız 74,8 m) ve 70 m enindedir. Bu geniş alanın orta kısmını 24,3m. yükseklikte dört büyük fil ayağına dayanan 33 m. çapında büyük bir kubbe örtmektedir. Kubbenin yerden yüksekliği 55,6 m., kendi iç yüksekliği de 13,8m. olup iskeleti tuğladan yapılmış 40 kaburgadan ibarettir. Bunların arasında üst tarafları kemer şeklinde olan 40 pencere vardır. Büyük fil ayaklarını birbirine bağlayan dört büyük kemerin -15,65m. yükseklikte- birleştikleri noktalarda üç köşeli birer pandantif meydana gelmiştir.

Binanın ağırlığını taşıyan sütunların sayısı 107 olup bunlardan 40 tanesi aşağıda, 67 tanesi de yukarıdadır. Sütunların çoğu verde antico denilen yeşil 66 renkli somaki mermerden bir kısmı da koyu vişne renginde Mısır portfirindendir. Mermer kaplamaların üst kısımlarıyla bütün kemer, tonoz ve kubbeler mozaikle kaplıdır. Mozaiklerin haçlı ve insan figürlü olan kısımları evvelâ badana ve sonra 1847-1849′da yapılan onarmada, yağlı boya veya üç santimetre kalınlığında bir alçı tabakasıyla örtülmüştür. Bunlar 1932 yılından beri temizlenip meydana çıkarılmaktadır.

29 Mayıs 1453 tarihinde İstanbul’un fethi ile Ayasofya kilisesi de Osmanlıların eline geçmiş, Fatih ilk Cuma namazını burada kılmıştır. Osmanlıların Ayasofya’ya girdikleri zaman, bina içine sığınmış olan sivil halkı öldürdükleri ve Fatih’in içeriye atla girdiği gibi sonradan düşmanca birçok söylentiler ortaya çıkarılmışsa da, Fatih’in Ayasofya’nın içine yaya olarak girdiği muhakkak olduğu gibi, Osmanlıların Ayasofya’ya girişini görenlerin hiçbirisi de, halkın öldürüldüğünden veya binaya karşı bir hürmetsizlikten bahsetmemişlerdir. Osmanlılar Ayasofya’ya karşı daima büyük bir ilgi ve saygı göstermişler ve yaptıkları ustaca onarımlar ve dayanak duvarlarıyla bu büyük anıtın günümüze kadar ayakta durabilmesini sağlamışlardır.

Fatih’in emriyle Ayasofya Kilisesi’nin camiye çevrilmesi üzerine gerekli bazı değişiklikler yapılmış ve binanın esas yapısı olduğu gibi korunmuş, hattâ insan figürlü mozaiklere de dokunulmamıştır. Bunların daha sonra, Kanunî devrinde, badana ile örtüldükleri anlaşılmaktadır. Güneydoğudaki büyük dayanak duvarları Fatih devrinde yapıldığı gibi bu taraftaki tuğla minarenin de -genel olarak- Fatih devrinden kalma olduğu kabul edilmektedir. II. Bayezid devrinde kuzeybatı köşesindeki zarif ince minare, II. Selim devrinde de batı tarafındaki iki kalın minare Mimar Sinan eliyle yapılmıştır. III. Murat devrinde Mimar Sinan imparator Andronikos tarafından yaptırılmış olan payandaları yeniden örmek ve yeni dayanak duvarları eklemek suretiyle camii çökme tehlikesinden kurtarmıştır. Yine bu devirde imparator kapısının sağ ve solunda -iç tarafta- Bergama’dan getirilmiş Hellenistik devir mahsulü iki büyük mermer küp yerleştirilmiş, büyük fil ayakları önünde görülen zarif müezzin mahfilleri yaptırılmıştır. Mihrabın iki tarafındaki iki büyük şamdan ise Kanunî Sultan Süleyman tarafından Budin’den getirilerek camiye vakfedilmiştir.

IV. Murat zamanında duvarları süsleyen âyetler Bıçakçızâde Mustafa Çelebi tarafından yazılmıştır.
Caminin güney galerisinin gerisinde, güzel bir parmaklık ile ayrılan duvarları İznik ve Kütahya çinileriyle süslenmiş olan kitaplık, I. Mahmut devrinde yapılmıştır; içinde pek kıymetli yazma kitaplar vardır.
Abdülmecit devrinde caminin içi ve dışı esaslı surette onarılmıştır. İsviçreli mimar Gaspar Fossati’nin sorumluluğu altında iki yıl süren bu çalışmalar sırasında (1847-1849) büyük kubbe demir çemberlerle sağlamlaştırılmış, tehlikeli bir şekilde eğrilmiş olan 13 sütun düzeltilmiş, mozaikler açılarak bozuk olan kısımları onarıldıktan sonra haçlı ve insan figürlü olanların üzerleri kapatılmış, başka kısımları ise açık bırakılmıştır. III. Ahmet ve I. Mahmut devirlerinde değişiklikler gören Hünkâr mahfili bugünkü şekli almış, binanın dışı sıvanarak üzeri şimdi de mevcut olan kırmızı yollu sarı badana ile badanalanmış ve nihayet minarelerde gerekli onarımlar yapılmıştır. Binanın içinde ikinci kat galerileri hizasında duvarlara asılmış olan 7,5 m. çapındaki Çıharyar-ı güzin levhaları bu devirde kazasker hattat Mustafa İzzet Efendi tarafından yazılmıştır (bunlardan evvelki levhaları hattat Teknecizade İbrahim Efendi yazmıştı). Büyük kubbenin içini süsleyen âyet de Mustafa İzzet Efendi’nin eseridir. Ayasofya’ya bitişik ve aralıklı olmak üzere gerek Bizans, gerekse Osmanlı devirlerinde yapılmış çeşitli binalar vardır. Bizans devrinde yapılmış olanlardan büyük kısmı bugün ortadan kalkmıştır. Şimdi bulunanlardan vaftishane (baptisterion) güney kapısının sağında (içinde Sultan Mustafa ve İbrahim yatmaktadır), yuvarlak planlı hazine dairesi kuzeybatıdadır.
Güney tarafındaki bahçede her biri ince birer sanat ve mimarlık eseri olan ve dış yüzleri mermerle kaplanmış bulunan padişah türbeleri yapılmıştır. Bunlardan en eskisi II. Selim türbesi olup Mimar Sinan’ın eseridir. Güney batısındaki türbe III. Murat’a ait olup, Mimar Davut Ağa tarafından yapılmıştır. Türbenin bitişiğindeki küçük bina III. Mehmet’in tahta çıkar çıkmaz öldürttüğü küçük şehzadeler için yapılmıştır. Bahçenin doğu tarafında ise III. Mehmet’in kendi türbesi bulunmaktadır. Bugün Ayasofya İstanbul’un eski eserler müzelerinden biridir