公元7世纪之后，阿拉伯半岛上出现新兴势力伊斯兰文明，接着十字军东征来到君士坦丁堡，但此时统治者已无力阻止联军与战争对城市的蹂躏。接着是土耳其人登场，东罗马帝国正式宣告结束。公元1453年，奥斯曼土耳其将君士坦丁堡改名为科斯坦丁尼耶，并将索菲亚大教堂改成阿雅索菲亚清真寺。

公元1453年5月29日，奥斯曼土耳其苏丹穆罕默德二世攻入了君士坦丁堡，他下令将教堂内所有拜占庭的壁画全部用灰浆遮盖住，所有基督教雕像也被搬出，并将大教堂改为清真寺，还在周围修建了4个高大的尖塔。

在圣索菲亚大教堂伫立的地点曾经存在过两座被暴乱摧毁的教堂。

第一所教堂被称为“大教堂”（希腊语：Μεγάλη Ἐκκλησία (Megálē Ekklēsíā)；拉丁语：Magna Ecclesia），在360年2月15日君士坦提乌斯二世在位时启用，大教堂建在正在兴建中的帝国皇宫旁。附近的伊莲娜教堂（Hagia Eirene，“圣和平”）在较早时已建成并作为主教座堂，直至圣索菲亚大教堂建成。这两所教堂同为拜占庭帝国最重要的教堂。

君士坦丁堡的苏格拉底（Socrates of Constantinople，380年－440年）记述了第一所教堂，认为它是君士坦丁一世所建。它被建为拉丁柱廊式的大教堂，附有长廊及木制屋顶，还有一个天井。它在当时被誉为世上最出色的历史建筑物之一。

君士坦丁堡牧首约翰一世与皇帝阿卡狄奥斯的妻子、皇后阿丽亚·尤多希亚（Aelia Eudoxia）发生冲突，因而在404年6月20日被流放，因此而起的连串暴乱使第一教堂毁于一旦，关于第一所教堂的一切在当今已彻底消失。

狄奥多西二世下令兴建第二所教堂，于415年10月10日落成，这个木制屋顶的教堂是由建筑师鲁弗留斯所建。532年1月，尼卡暴动引起的一场大火将第二所圣索菲亚大教堂烧成渣滓。

第二所教堂的数块大理石残骸幸存至今，这些石块上的浮雕展示了十二羔羊、十二使徒等图像。这些石块原来是正门的一部分，现在展示在教堂的庭园内。这些石块是在1935年由A.M.施奈德对西庭的一次挖掘当中被发现，由于担心损害现时的圣索菲亚大教堂建筑，发掘工作再也没有开展。

532年2月23日，在第二所教堂被摧毁后的仅仅数天，皇帝查士丁尼一世决定兴建第三所截然不同的大教堂，第三所教堂较前两所更为宏大雄伟。

查士丁尼一世选用物理学家米利都的伊西多尔和数学家特拉勒斯的安提莫斯为建筑师，但安提莫斯在不足一年内逝世。拜占庭史学家普罗科匹厄斯在《建筑》一书里描述了建造圣索菲亚大教堂的状况。皇帝将帝国各地的物料运送到君士坦丁堡，如以弗所阿耳忒弥斯神庙的古希腊圆柱。大石都是来自远处的采石场，包括埃及的斑岩、色萨利的绿色大理石、博斯普鲁斯海峡地区的黑石及叙利亚的黄石。超过一万人参与建造工作，这所新教堂马上就被认为是重要的建筑，展示了建筑师的创造力。建筑师们采用了希罗的理论，在广大的空间之上建造巨大的圆顶。皇帝与牧首梅纳斯在537年12月27日一起参与了盛大的落成仪式。教堂内的镶嵌画则在查斯丁二世在位时（565年－578年）才完成。

553年8月及557年12月的地震使主圆顶及东面的半圆顶破裂，558年5月7日发生的地震使主圆顶彻底倒塌，破坏了读经台、祭坛及其华盖。皇帝马上下令修复，让米利都的伊西多尔的侄甥伊西多拉负责修复工作。他使用了较轻巧的物料，又将圆顶提高了6.25米（20.5英尺），使教堂的内部高度达到现时的55.6米（182英尺）。修复工程在562年完成，使教堂在6世纪的面貌得以保存至今。拜占庭诗人示默者保罗（Paul the Silentiary）为教堂的重建创作了一首名为《读画诗》的长诗。562年12月23日，牧首优迪基乌（Eutychius）主持落成仪式。

圣索菲亚大教堂是君士坦丁堡牧首的座堂，并且是拜占庭帝王仪式的首要场地，如加冕典礼。大教堂为作恶者提供庇护，外国游客对此深受感动。

726年，拜占庭皇帝利奥三世颁布一系列的诏令抵制偶像崇拜，命令军队摧毁一切圣像，迎来了毁坏圣像运动。圣索菲亚大教堂内的所有宗教画像及雕像被移除。在伊琳娜女皇执政时期（797年－802年），圣像崇拜得到短暂的恢复，此后偶像破坏者卷土重来。拜占庭皇帝狄奥斐洛（Theophilus）深受伊斯兰艺术影响，而伊斯兰艺术是禁止偶像崇拜的。他将刻有画押字的青铜两翼门安装在大教堂的南面入口。

859年的大火对大教堂造成破坏，而869年1月8日的地震使一个半圆顶倒塌，巴西尔一世下令复修。

989年10月25日发生强烈地震，破坏了大教堂的大圆顶，巴西尔二世委托阿美尼亚建筑师、阿尼及阿吉涅大教堂的创造者梯利达特（Trdat）修复圆顶，西面的圆拱及部份大圆顶是他主要的修复部分。大教堂的损毁程度使修复工作持续了六年，大教堂在994年5月13日重开。

君士坦丁七世在他的《典仪论》（De Ceremoniis）里记载了帝王及牧首在圣索菲亚大教堂举行典礼仪式的详情。

在第四次十字军东征期间，大教堂被拉丁基督徒洗劫及亵渎。据史学家尼基塔斯·蔡尼亚提斯（Niketas Choniates）所述，大教堂的一些圣物如耶稣墓碑的一块石头、圣母玛利亚之奶、耶稣裹尸布及多位圣人的骨头都被转送到西方，现今可在西方多个博物馆内参观这些圣物。在拉丁帝国的占领下，圣索菲亚大教堂成为了罗马天主教会的主教座堂。鲍德温一世于1204年5月16日在圣索菲亚大教堂依照拜占庭传统加冕为王。在1204年发动拉丁十字军的威尼斯公爵恩里科·丹多洛被葬在教堂内，碑文显示了他的名字，成为了地面装饰。1261年，重夺君士坦丁堡的拜占庭人向碑文啐唾泄愤。不过，1847年至1849年的复修工程却令公爵坟墓的真确性遭到质疑，该坟墓更像是一个象征式墓地以作纪念。

拜占庭人重夺君士坦丁堡后，大教堂已显得相当破败，西面的四道扶壁大概就是在这时加建。1317年，安德洛尼卡二世在教堂东部及北部加建四道扶壁。1344年10月的地震使教堂的圆顶崩裂，部分建筑在1346年5月19日倒塌，教堂在此后关闭。1354年，建筑师阿斯特拉及佩拉尔塔负责教堂的修缮工作。

奥斯曼土耳其人在1453年征服君士坦丁堡，圣索菲亚大教堂随即被转换成阿亚索菲亚清真寺。当时教堂已相当残破，多道门窗剥落。多个西方访客都描述了当时教堂的状况，包括科尔多瓦贵族佩德罗·塔富尔（Pedro Tafur）及佛罗伦斯的克里斯托福罗·布隆戴蒙提（Cristoforo Buondelmonti）。穆罕默德二世下令清理及将教堂转换为清真寺。继任苏丹巴耶济德二世建造了一座新的叫拜楼，来替代他父亲所建的叫拜楼。

在十六世纪，苏莱曼一世在征战匈牙利后带来了两根巨大的蜡烛，放置在清真寺米哈拉布的两侧。在塞利姆二世统治时期，清真寺已显得老旧，被认为是世上首个地震工程师之一的科查·米马尔·希南在清真寺外面加筑支撑结构。除了强化历史悠久的拜占庭建筑结构外，希南又在西端加建两座大型叫拜楼、苏丹专用的前座，又于1577年在东南方建造塞利姆二世的陵墓。1600年代，穆拉德三世及穆罕默德三世的陵墓建在塞利姆二世陵墓旁。

后来，清真寺再加设苏丹楼座、一个以大理石装潢的敏拜尔、一个布道用的讲台及一个供宣礼员使用的凉廊。

穆拉德三世从帕加马运来了两个古希腊汉白玉大瓮，放置在清真寺正殿两侧。

1739年，苏丹马哈茂德一世下令复修清真寺，并加建一所伊斯兰学校、一所施食处及一所图书馆，又在1740年加建洗礼用的喷泉，将清真寺建筑转变为库里耶（建筑群）。与此同时，清真寺内再加设一个苏丹楼座及一个米哈拉布。

在1847年至1849年间，苏丹阿卜杜勒-迈吉德一世对清真寺开展了最为著名的一次复修，在瑞士及意大利籍建筑师兄弟加斯帕雷及朱塞佩·福萨蒂的监管下动用八百名工人。他们巩固了圆顶和拱顶、摆正圆柱及改变建筑内外的装潢。上层楼座的镶嵌画都被擦掉，古旧的吊灯被撤换。巨大的圆框雕饰被加挂在圆柱上，刻有阿拉、先知穆罕默德、四大哈里发（阿布·伯克尔、欧麦尔、奥斯曼、阿里）及穆罕默德两位孙儿（哈桑、侯赛因）的名字。1850年，福萨蒂加建一个拜占庭复兴建筑风格的长廊，连接清真寺后方的皇室楼阁。一座记时员建筑及一所伊斯兰学校建在清真寺外，叫拜楼也被修正为同一高度。复修完成后，清真寺在1849年7月13日举行盛大庆典并重开。

1935年，第一任土耳其总统及土耳其国父穆斯塔法·凯末尔·阿塔图尔克将圣索菲亚大教堂变为博物馆。地毯被移走，覆盖在镶嵌画上的石膏由专家煞费苦心地擦去，地面饰品得以展示。成为博物馆之后的圣索菲亚教堂被改名为阿亚索菲拉博物馆，实际上该博物馆的展品主要就是建筑物自身以及其中的镶嵌画艺术品。

20世纪40年代中，由美国拜占庭研究会以及敦巴顿橡树园现场委员会（Dumbarton Oaks Field Committee）牵头的考古学家们开始了对圣索菲亚大教堂的修复工作。

1985年，圣索菲亚大教堂所在的伊斯坦布尔文化区被联合国教科文组织选为世界文化遗产。但是博物馆的维护工作并不到位，1993年，一个联合国教科文组织的考察团在其报告中指出，博物馆缺乏维护，墙上的石膏正在脱落，有些破损的窗户没有及时被修复，大理石的清理工作也没有到位，一些颜料已经被潮湿的空气侵蚀了。同年，博物馆在其穹顶之下搭建起了整修用的脚手架，这一“临时”建筑一直在博物馆内存在着。

1996年至1998年，阿雅索菲亚博物馆还被世界文化遗产基金会选为其百大濒危遗产。如今的阿雅索菲亚博物馆大约每年接待二百五十万外国游客，随着伊斯坦布尔当选为2010年的欧洲文化之都，对圣索菲亚大教堂的修复工作被重新提上议程。拆除重达160吨的脚手架已经指日可待。

圣索菲亚大教堂坐落在蓝色清真寺对面。

圣索菲亚大教堂是集中式的，东西长77.0米，南北长71.0米。布局属于以穹隆覆盖的巴西利卡式。中央穹隆突出，四面体量相仿但有侧重，前面有一个大院子，正南入口有二道门庭，末端有半圆神龛。中央大穹隆，直径32.6米，穹顶离地54.8米，通过帆拱支承在四个大柱敦上。其横推力由东西两个半穹顶及南北各两个大柱墩来平衡。穹隆底部密排着一圈40个窗洞，教堂内部空间饰有金底的彩色玻璃镶嵌画。装饰地板、墙壁、廊柱是五颜六色的大理石，柱头、拱门、飞檐等处以雕花装饰，圆顶的边缘时40具吊灯，教坛上镶有象牙、银和玉石，大主教的宝座以纯银制成，祭坛上悬挂着丝与金银混织的窗帘，上有皇帝和皇后接受基督和玛利亚祝福的画像。

刚竣工时的圣索菲亚大教堂是正教会牧首巴西利卡形制的大教堂，在1519年被塞维利亚主教座堂取代之前圣索菲亚大教堂一直是世界上最大的教堂。

集中式造型

圣索非亚大教堂平面采用了集中式的造型，在空间上，则创造了巨型的圆顶，而且在室内没有用到柱子来支撑。君士坦丁大帝请来的数学工程师们发明出以拱门、扶壁、小圆顶等设计来支撑和分担穹隆重量的建筑方式，以便在窗间壁上安置又高又圆的圆顶，让人仰望天界的美好与神圣。由于地震和叛乱的烧毁，圣索非亚大教堂经历过数次重修，尤其公元532年查士丁尼大帝投入一万名工人、32万黄金、并花费六年光阴装饰圣索非亚大教堂。教堂是当时的城市中心。圣索非亚大教堂的大圆顶离地55米高，在17世纪圣彼得大教堂完成前，一直是世界上最大的教堂。

图形和数字设计

圣索非亚大教堂是靠图形和数字设计的。设计者中的一位是来自特拉列斯的安提缪斯——是《燃烧的镜子》和《不平常的机械装置》这两篇著作的作者。第二位建筑师比安提缪斯年轻，他是来自米利都的伊西多尔，他针对亚历山大利亚的希罗的文章《论拱形建筑》写过一篇评论。安提缪斯和伊西多尔是阿基米德学科方面的大师。

拜占庭代表作

是拜占庭式建筑的代表作，创造了以帆拱上的穹顶为中心的复杂拱券结构平衡体系。是世界上唯一由神庙改建为教堂、并由教堂改为清真寺的圣索菲大清真寺。圣索菲亚大教堂是330年时由君士坦丁大帝修建的，6世纪时查士丁尼大帝把教堂改建成现在的模样。奥斯曼帝国时期，圣索菲亚教堂改建为清真寺，周围矗起四座高塔。教堂主体为长形，内壁全用彩色大理石砖和五彩斑斓的马赛克镶嵌画装点铺砌。

古代建筑珍品

圆顶由两个半球形拱门支撑。17世纪时，仿效公元前腓尼基人昂蒂帕特提出的“七大奇迹”的说法，提出现代世界“七大奇迹”，圣索菲亚教堂就是其中之一。从教堂内一侧的昏暗、狭窄的碎石铺就的通道蜿蜒而上，能到达环绕教堂内三面的两层长廊。教堂外的净洗池显示着伊斯兰教的色彩。

圣索非亚大教堂内部的装饰，除了各种雕刻之外，也包括运用有色大理石镶成的马赛克拼图。

从公元4到6世纪开始，教会逐渐对教义与救赎的观念有渐深的认知，同时希腊罗马文化圈重视肖像与肉体美的传统也逐渐对基督教产生影响，信徒除了透过传统的谕言故事与象征手法来理解教义，也逐渐产生将圣母、圣子、圣徒等人物画像化的需求。教会中认为圣人的人物画像就等于触犯圣经中不得膜拜偶像的规定的一派，与另一派认为人物画像可以让信徒更容易理解神的精神、有助传教，两派间的歧异日渐加深。

公元692年教会会议中授与基督人像化的合法性，但公元730年罗马皇帝利奥三世（Leo III）颁布禁令，禁止圣母、圣子、圣徒、天使以人物形象出现，自此揭开了两派人马长达二百年间的斗争，教堂里的画作遭破坏，画像的持有者和作画的工匠们也都遭到各种形式的迫害，社会动荡不安。

一直到9世纪中叶，教会重新解释，愿对画像给予敬意、信仰崇拜，这才逐渐消释两派间的纷争，而这个日子也被称为“正统的胜利”（The Triumph of orthodoxy），每年在信仰东正教的国家里被盛大庆祝。然而雕刻艺术从来不曾得到教会的认可。

蓝色清真寺是伊斯兰教世界最优秀的建筑师锡南(Sinan)的得意弟子Mehmet Aga的作品，也是伊斯坦布尔最重要的建筑之一。建于1609年。清真寺内墙壁全部用蓝、白两色的依兹尼克磁砖装饰。巨大的圆顶周围有六根尖塔，蓝色清真寺是世界十大奇景之一。建造蓝色清真寺没有使用一根钉子，而且历经数次地震却未倒坍。260个小窗、2万多块蓝色磁砖、地毯和阿拉伯书法艺术是该寺的代表景点。

蓝色清真寺(Blue Mosque)其实是通称，得名于伊兹尼蓝磁砖的光彩，它真正的名称应该是素檀何密清真寺(Sultanahmet Camii)。

蓝色清真寺建于17世纪，大圆顶直径达27.5公尺，另外还有4个较小的圆顶30个小圆顶，大圆小圆煞是好看；而清真寺不可或缺的尖塔，蓝色清真寺当然也有，高43公尺，而且比一般的清真寺多了一根；据说只有伊斯兰教圣城麦加的清真寺才能盖六根尖塔，蓝色清真寺在兴建时，建筑师听到素檀何密一世“黄金的”的命令，“黄金的”和“六根的”音很近，结果蓝色清真寺就逾矩有了六根尖塔。

圣索非亚大教堂是2008北京奥运火炬传递在伊斯坦布尔的起跑点。作为世界上十大令人向往的教堂之一——圣索非亚大教堂与蓝色清真寺隔街相望。北京奥运会火炬的境外传递第二站就是从这里启程。

2007年，美国商人及政客克里斯·斯皮鲁（Chris Spirou）启动了一个名为“解放圣索菲亚大教堂会议”的运动，支持恢复圣索菲亚大教堂原本的用途。2007年6月20日，他在美国国会人权委员会核心小组上作证，在听证会完结时，核心小组主席及外交事务委员会的主席汤姆·兰托斯发言道：“人权委员会在25年来调查过的全球侵犯人权的个案里，当中最重要的是宗教自由，核心小组格外关注有关圣地被强迫转变用途的人权侵害，当中又以圣索菲亚大教堂最为重要。”。

2020年7月2日，土耳其总理耶尔德勒姆表示，正考虑把历史悠久的圣索菲亚博物馆（Saint Sophia）再次改建成清真寺。这一举动，立刻遭到了东正教牧首、希腊以及美国的反对。美国国务院甚至针对此事发表声明：“要求土耳其将其保留为博物馆，并确保所有人使用。”针对潮水般的质疑和指责，该国外交部长在一次采访中表示，“我们在自己的国家做什么，如何处置我们的财产，完全取决于我们自己。”