歷史沿革
聖索非亞大教堂
由君士坦丁大帝為供奉智慧之神索非亞，始建於公元325年，後受損於戰亂，公元537年查士丁尼皇帝為標榜自己的文治武功進行重建，它作為基督教的宮廷教堂，持續了9個世紀。
公元7世紀之後，阿拉伯半島上出現新興勢力伊斯蘭文明，接著十字軍東征來到君士坦丁堡，但此時統治者已無力阻止聯軍與戰爭對城市的蹂躪。接著是土耳其人登場，東羅馬帝國正式宣告結束。公元1453年，奧斯曼土耳其將君士坦丁堡改名為伊斯坦布林，並將索菲亞大教堂改成阿雅索菲亞清真寺。
公元1453年6月，奧斯曼土耳其蘇丹穆罕默德二世攻入了君士坦丁堡，他下令將教堂內所有拜占庭的壁畫全部用灰漿遮蓋住，所有基督教雕像也被搬出，並將大教堂改為清真寺，還在周圍修建了4個高大的尖塔。
第一所教堂
聖索非亞大教堂
第一所教堂被稱為“大教堂”（希臘語：Μεγάλη Ἐκκλησία(Megálē Ekklēsíā)；拉丁語：Magna Ecclesia），在360年2月15日君士坦提烏斯二世在位時啟用，大教堂建在正在興建中的帝國皇宮旁。附近的伊蓮娜教堂（Hagia Eirene，“聖和平”）在較早時已建成並作為主教座堂，直至聖索菲亞大教堂建成。這兩所教堂同為拜占庭帝國最重要的教堂。
君士坦丁堡的蘇格拉底（Socrates of Constantinople，380年－440年）記述了第一所教堂，認為它是君士坦丁一世所建。它被建為拉丁柱廊式的大教堂，附有長廊及木製屋頂，還有一個天井。它在當時被譽為世上最出色的歷史建築物之一。
君士坦丁堡牧首約翰一世與皇帝阿卡狄奧斯的妻子、皇后阿麗亞·尤多希亞（Aelia Eudoxia）發生衝突，因而在404年6月20日被流放，因此而起的連串暴亂使第一教堂毀於一旦，關於第一所教堂的一切在當今已徹底消失。
第二所教堂
狄奧多西二世下令興建第二所教堂，於415年10月10日落成，這個木製屋頂的教堂是由建築師魯弗留斯所建。532年1月，尼卡暴動引起的一場大火將第二所聖索菲亞大教堂燒成渣滓。
第二所教堂的數塊大理石殘骸倖存至今，這些石塊上的浮雕展示了十二羔羊、十二使徒等影象。這些石塊原來是正門的一部分，現在展示在教堂的庭園內。這些石塊是在1935年由A.M.施奈德對西庭的一次挖掘當中被發現，由於擔心損害現時的聖索菲亞大教堂建築，發掘工作再也沒有開展。
第三所教堂
532年2月23日，在第二所教堂被摧毀後的僅僅數天，皇帝查士丁尼一世決定興建第三所截然不同的大教堂，第三所教堂較前兩所更為宏大雄偉。
查士丁尼一世選用物理學家米利都的伊西多爾和數學家特拉勒斯的安提莫斯為建築師，但安提莫斯在不足一年內逝世。拜占庭史學家普羅科匹厄斯在《建築》一書裡描述了建造聖索菲亞大教堂的狀況。皇帝將帝國各地的物料運送到君士坦丁堡，如以弗所阿耳忒彌斯神廟的古希臘圓柱。大石都是來自遠處的採石場，包括埃及的斑岩、色薩利的綠色大理石、博斯普魯斯海峽地區的黑石及敘利亞的黃石。超過一萬人參與建造工作，這所新教堂馬上就被認為是重要的建築，展示了建築師的創造力。建築師們採用了希羅的理論，在廣大的空間之上建造巨大的圓頂。皇帝與牧首梅納斯在537年12月27日一起參與了盛大的落成儀式。教堂內的鑲嵌畫則在查斯丁二世在位時（565年－578年）才完成。
553年8月及557年12月的地震使主圓頂及東面的半圓頂破裂，558年5月7日發生的地震使主圓頂徹底倒塌，破壞了讀經臺、祭壇及其華蓋。皇帝馬上下令修復，讓米利都的伊西多爾的侄甥伊西多拉負責修復工作。他使用了較輕巧的物料，又將圓頂提高了6.25米（20.5英尺），使教堂的內部高度達到現時的55.6米（182英尺）。修復工程在562年完成，使教堂在6世紀的面貌得以儲存至今。拜占庭詩人示默者保羅（Paul the Silentiary）為教堂的重建創作了一首名為《讀畫詩》的長詩。562年12月23日，牧首優迪基烏（Eutychius）主持落成儀式。
聖索菲亞大教堂是君士坦丁堡牧首的座堂，並且是拜占庭帝王儀式的首要場地，如加冕典禮。大教堂為作惡者提供庇護，外國遊客對此深受感動。
726年，拜占庭皇帝利奧三世頒佈一系列的詔令抵制偶像崇拜，命令軍隊摧毀一切聖像，迎來了毀壞聖像運動。聖索菲亞大教堂內的所有宗教畫像及雕像被移除。在伊琳娜女皇執政時期（797年－802年），聖像崇拜得到短暫的恢復，此後偶像破壞者捲土重來。拜占庭皇帝狄奧斐洛（Theophilus）深受伊斯蘭藝術影響，而伊斯蘭藝術是禁止偶像崇拜的。他將刻有畫押字的青銅兩翼門安裝在大教堂的南面入口。
859年的大火對大教堂造成破壞，而869年1月8日的地震使一個半圓頂倒塌，巴西爾一世下令復修。
989年10月25日發生強烈地震，破壞了大教堂的大圓頂，巴西爾二世委託阿美尼亞建築師、阿尼及阿吉涅大教堂的創造者梯利達特（Trdat）修復圓頂，西面的圓拱及部份大圓頂是他主要的修復部分。大教堂的損毀程度使修復工作持續了六年，大教堂在994年5月13日重開。
君士坦丁七世在他的《典儀論》（De Ceremoniis）裡記載了帝王及牧首在聖索菲亞大教堂舉行典禮儀式的詳情。
在第四次十字軍東征期間，大教堂被拉丁基督徒洗劫及褻瀆。據史學家尼基塔斯·蔡尼亞提斯（Niketas Choniates）所述，大教堂的一些聖物如耶穌墓碑的一塊石頭、聖母瑪利亞之奶、耶穌裹屍布及多位聖人的骨頭都被轉送到西方，現今可在西方多個博物館內參觀這些聖物。在拉丁帝國的佔領下，聖索菲亞大教堂成為了羅馬天主教會的主教座堂。鮑德溫一世於1204年5月16日在聖索菲亞大教堂依照拜占庭傳統加冕為王。在1204年發動拉丁十字軍的威尼斯公爵恩里科·丹多洛被葬在教堂內，碑文顯示了他的名字，成為了地面裝飾。1261年，重奪君士坦丁堡的拜占庭人向碑文啐唾洩憤。不過，1847年至1849年的復修工程卻令公爵墳墓的真確性遭到質疑，該墳墓更像是一個象徵式墓地以作紀念。
拜占庭人重奪君士坦丁堡後，大教堂已顯得相當破敗，西面的四道扶壁大概就是在這時加建。1317年，安德洛尼卡二世在教堂東部及北部加建四道扶壁。1344年10月的地震使教堂的圓頂崩裂，部分建築在1346年5月19日倒塌，教堂在此後關閉。1354年，建築師阿斯特拉及佩拉爾塔負責教堂的修繕工作。
清真寺
奧斯曼土耳其人在1453年征服君士坦丁堡，聖索菲亞大教堂隨即被轉換成阿亞索菲亞清真寺。當時教堂已相當殘破，多道門窗剝落。多個西方訪客都描述了當時教堂的狀況，包括科爾多瓦貴族佩德羅·塔富爾（Pedro Tafur）及佛羅倫斯的克里斯托福羅·布隆戴蒙提（Cristoforo Buondelmonti）。穆罕默德二世下令清理及將教堂轉換為清真寺。繼任蘇丹巴耶濟德二世建造了一座新的叫拜樓，來替代他父親所建的叫拜樓。
在十六世紀，蘇萊曼一世在征戰匈牙利後帶來了兩根巨大的蠟燭，放置在清真寺米哈拉布的兩側。在塞利姆二世統治時期，清真寺已顯得老舊，被認為是世上首個地震工程師之一的科查·米馬爾·希南在清真寺外面加築支撐結構。除了強化歷史悠久的拜占庭建築結構外，希南又在西端加建兩座大型叫拜樓、蘇丹專用的前座，又於1577年在東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。
後來，清真寺再加設蘇丹樓座、一個以大理石裝潢的敏拜爾、一個佈道用的講臺及一個供宣禮員使用的涼廊。
穆拉德三世從帕加馬運來了兩個古希臘漢白玉大甕，放置在清真寺正殿兩側。
1739年，蘇丹馬哈茂德一世下令復修清真寺，並加建一所伊斯蘭學校、一所施食處及一所圖書館，又在1740年加建洗禮用的噴泉，將清真寺建築轉變為庫裡耶（建築群）。與此同時，清真寺內再加設一個蘇丹樓座及一個米哈拉布。
在1847年至1849年間，蘇丹阿卜杜勒-邁吉德一世對清真寺開展了最為著名的一次復修，在瑞士及義大利籍建築師兄弟加斯帕雷及朱塞佩·福薩蒂的監管下動用八百名工人。他們鞏固了圓頂和拱頂、擺正圓柱及改變建築內外的裝潢。上層樓座的鑲嵌畫都被擦掉，古舊的吊燈被撤換。巨大的圓框雕飾被加掛在圓柱上，刻有阿拉、先知穆罕默德、四大哈里發（阿布·伯克爾、歐麥爾、奧斯曼、阿里）及穆罕默德兩位孫兒（哈桑、侯賽因）的名字。1850年，福薩蒂加建一個拜占庭復興建築風格的長廊，連線清真寺後方的皇室樓閣。一座記時員建築及一所伊斯蘭學校建在清真寺外，叫拜樓也被修正為同一高度。復修完成後，清真寺在1849年7月13日舉行盛大慶典並重開。
博物館
1935年，第一任土耳其總統及土耳其國父穆斯塔法·凱末爾·阿塔圖爾克將聖索菲亞大教堂變為博物館。地毯被移走，覆蓋在鑲嵌畫上的石膏由專家煞費苦心地擦去，地面飾品得以展示。成為博物館之後的聖索菲亞教堂被改名為阿亞索菲拉博物館，實際上該博物館的展品主要就是建築物自身以及其中的鑲嵌畫藝術品。20世紀40年代中，由美國拜占庭研究會以及敦巴頓橡樹園現場委員會（Dumbarton Oaks Field Committee）牽頭的考古學家們開始了對聖索菲亞大教堂的修復工作。1985年，聖索菲亞大教堂所在的伊斯坦布林文化區被聯合國教科文組織選為世界文化遺產。但是博物館的維護工作並不到位，1993年，一個聯合國教科文組織的考察團在其報告中指出，博物館缺乏維護，牆上的石膏正在脫落，有些破損的窗戶沒有及時被修復，大理石的清理工作也沒有到位，一些顏料已經被潮溼的空氣侵蝕了。同年，博物館在其穹頂之下搭建起了整修用的腳手架，這一“臨時”建築一直在博物館記憶體在著。1996年至1998年，阿雅索菲亞博物館還被世界文化遺產基金會選為其百大瀕危遺產。如今的阿雅索菲亞博物館大約每年接待二百五十萬外國遊客，隨著伊斯坦布林當選為2010年的歐洲文化之都，對聖索菲亞大教堂的修復工作被重新提上議程。拆除重達160噸的腳手架似乎已經指日可待。