Bizans devrinde İstanbul'un en büyük kilisesi iken (Hagia Sophia) fetihten sonra şehrin baş câmii haline getirilmiş ve ilk cuma namazı da burada kılınmıştır. Daha sonra fethedilen diğer şehirlerdeki kiliseler câmiye çevrildiklerinde en büyüğünün Ayasofya adıyla anılması adeta bir gelenek haline gelmiştir.

Ayasofya, ekanîm-i selâsenin ikinci unsuru oğulun (Hz. İsa) bir vasfı olarak mistik bir mefhum olan sofia (ilâhî hikmet) adına kurulmuştur. Yanındaki patrikhâne kilisesi Hagia Eirene/Aya İrini ile birlikte ikisine Megale Ekklesia (Büyük Kilise) deniliyordu.

Ayasofya'nın ilk binası İlkçağ İstanbulu'nun merkezî yerinde birinci tepe üzerinde 4. yüzyılda ahşap çatılı bir bazilika biçiminde yapılmıştır. Bu ilk yapı, I. Constantin'in oğlu Constantinus zamanında bitirilmiş ve 360'ta açılmıştır. Fakat bu yapı iki defa tamamen harab olduktan sonra, Batı Anadolulu iki mimar Trallesli (Aydın) Anthemios ile Miletoslu (Milet-Balat) İsidoros tarafından, imparatorluğunun her tarafından getirilen malzemeler ile altı yıl içinde yeniden yapılarak 537'de büyük bir merâsimle açılmıştır.

Bu yapının orta mekânının üstünü çapı yaklaşık 31-33 metreyi bulan basık büyük bir kubbe ile örtme yoluna gitmişlerdir. Bu büyük kütle baskısını karşılamak üzere batı-doğu ekseni üzerinde kademeler halinde inen ve ufalan yarım kubbeler yapılmış, yanlarda ise baskı, galerilerde yan duvarlardaki pâyeler ve kemerlerle tonozlar yardımıyla karşılanmıştı. Bu çapta ve tertipte bir yapıyı bu derecede büyük bir kubbe ile örtmek aslında statik bakımından oldukça riskliydi. Gerek Bizans gerekse Osmanlı devrinde duvarlara dışarıdan eklenen büyük destek payandaları yardımıyla Ayasofya bugüne kadar ayakta tutulabilmiştir.

Deprem sebebiyle 558'de kubbenin doğu tarafının çökmesi üzerine, kubbe evvelkinden 6,25 m. kadar yükseltilip yeniden yapılmıştır. 986'da vuku bulan depremde bir kısmı çöken kubbe tâmir edildikten sonra, 1346'da tekrar çökmüştür. Fetihten önce harap ve bakımsız bir haldedir.

Fâtih, Ayasofya'nın tahribine mâni olmuş, burada ilk namazı kıldıktan sonra câmiyi kendi hayratının ilk eseri olarak vakfetmiş, yanına sonraları çok değişikliğe uğrayan bir de medrese yaptırmıştır. Güneybatı köşesindeki tuğla minârenin 2. Bayezid zamanında yapıldığı tahmin edilmektedir. Güneydoğu köşedeki yivli minâre ise, Edirne'deki Selimiye Câmii minârelerine çok yakın benzerliği sebebiyle, Mimar Sinan'ın eseri olarak kabul edilmektedir. 3. Murad zamanında da kuzeydeki iki minâre ile minber, kürsü ve mahfil ilâve edilmiştir. Ayrıca Bergama'da bulunan İlkçağ'dan kalma yekpâre mermerden oyulmuş iki büyük küp getirtilerek câminin içine şadırvan yapılmıştır. Yine 2. Selim zamanında Mimar Sinan tarafından takviye pa-yandaları yapılarak yapının çökmesi önlenmiştir.

Ayasofya'nın etrafındaki sultan türbelerinin ilki 2. Selim için Mimar Sinan tarafından inşa edilmiştir. Daha sonra Mimar Dâvud Ağa tarafından 3. Murad ve 3. Mehmed için türbeler inşa edilmiştir. Bu üç büyük türbe Osmanlı devri Türk mimârisinin en güzel eserlerinden sayılır. Ayrıca burada bir de şehzâdeler türbesi yapıldığından, bir hazîre teşekkül etmiştir. Tahttan indirildikten sonra on altı yıl sarayda kapalı yaşayan 1. Mustafa, 1639'da ölünce, fetihten beri yağhâne olarak kullanılan vaftizhânesi türbe haline getirilerek cesedi buraya defnedilmiş, 1648'de Sultan İbrâhim öldürüldüğünde de yine aynı yere defnedilmiştir.

1. Mahmud, câminin yan sahnında muhteşem bir tunç parmaklıkla ayrılan, duvarları değişik devirlere âit çini kaplı ve dolapları renkli na-kışlı güzel bir kütüphâne yaptırarak bakımı için Cağaloğlu Hamamı'nı vakfetmiştir. Ayrıca, avluda, başkabir benzeri olmayan hârikulâde bir şadırvanla bir sıbyan mektebi ve arka tarafta bir aşhâne-imâret inşa ettirmiştir.

1847-1849 yıllarında Sultan Abdülmecid tarafından yaptırılan en büyük tâmirat sırasında, yeni bir kasr-ı hümâyun ile hünkâr mahfili ve avlu kapısı yanına muvakkithâne yapılmış, avluyu çeviren duvar da yenilenmiştir. Bu tâmirde Kazasker Mustafa İzzet Efendi tarafından, ana kubbeye Nur Sure'si-nin 35. âyeti yazılmış ve yine Mustafa İzzet Efendi'nin 7,5 m. çapındaki yuvarlak levhaları da asılmıştır.

Ayasofya 24 Ekim 1934'te câmilikten çıkarılıp Müze hâline getirilmiştir. 1931'de Amerikan Bizans Enstitüsü'ne Ayasofya mozaiklerini meydana çıkarma izni verilmiş, Atatürk'ün isteği ve bakanlar kurulu kararı ile 1932'den îtibâren bu çalışmalara başlanmıştı. Amerikan Enstitüsü'nün inceleme ve mozaik temizleme çalışmaları 1970'e kadar sürmüştür. Bu çalışmaların neticesinde mozaiklerin önemli bir kısmı ortaya çıkarılmıştır.

Müze haline geldikten yıllar sonra ise ilk defa 8 Ağustos 1980 tarihinde hünkâr mahfili ibadete açılmıştır. Bundan kısa bir süre sonra (14 Eylül 1980) restorasyon gerekçesiyle tekrar kapatılan hünkâr mahfili, 10 Şubat 1991'de yeniden namaz kılmaya tahsis edilmiştir.

Câmi olduğu süre içinde Ayasofya, Ramazan aylarında bilhassa teravih namazında çok kalabalık bir cemaatin toplanmasına imkân verir ve pâdişâhında katıldığı Kadir geceleriyle bayram namazlarında muhteşem bir görünüş arzederdi.

Öteden beri Batılı sanat tarihçilerinde yerleşmiş bir düşünce, bütün Osmanlı devri Türk câmilerinin Ayasofya'nın bir taklidi olduğu yolundaki kanaat ise acele verilmiş yanlış bir hükümdür. Ayasofya'nın tam bir benzeri olan ve onun gerçek taklidi sayılabilecek tek eser, Tophâne'de Kılıç Ali Paşa Câmii olup bunu da Mimar Sinan, hayatının son yıllarında değişiklik ve yeniliklere kanık-samış bir usta olarak bir deneme düşüncesiyle meydana getirmiş olmalıdır.