La Sainte-Sophie a été construite en un temps remarquablement court, soit environ six ans, pour être achevée en 537. Insolite pour l'époque où elle a été construite et les noms des architectes du bâtiment Anthémius de Tralles et Isidore de Milet sont connus leur familiarité avec la mécanique et les mathématiques.

 

La Sainte-Sophie combine une basilique longitudinale et un bâtiment centralisé d'une manière tout à fait originale, avec un immense dôme principal de 32 mètres soutenu par des pendentifs et deux demi-losomes, un de chaque côté de l'axe longitudinal. En plan, le bâtiment est presque carré. Il y a trois allées séparées par des colonnes avec des galeries au-dessus et de grandes piles de marbre s'élevant pour soutenir le dôme. Les murs au-dessus des galeries et la base du dôme sont percés de fenêtres qui, à la lumière du jour, obscurcissent les appuis et donnent l'impression que la voilure flotte sur l'air.

​

L'église originale sur le site de Sainte-Sophie a été commandée par Constantin le Grand en 325 sur les fondations d'un temple païen. Son fils, Constance II, l'a consacré en 360. Il a été endommagé en 404 par un incendie qui a éclaté lors d'une émeute suite au deuxième bannissement de Saint Jean Chrysostome, alors patriarche de Constantinople. Il a été reconstruit et agrandi par l'empereur romain Constans I. Le bâtiment restauré a été réédifié en 415 par Théodose II. L'église a été brûlée à nouveau lors de l'insurrection de Nika en janvier 532, une circonstance qui a donné à l'empereur Justinien l'occasion d'envisager un remplacement splendide.

​

La structure actuelle est essentiellement l'édifice du VIe siècle, bien qu'un tremblement de terre ait provoqué un effondrement partiel du dôme en 558 et qu'il y eut deux autres effondrements partiels, après quoi il fut reconstruit à plus petite échelle et toute l'église renforcée de l'extérieur. Il a été restauré à nouveau au milieu du XIVème siècle. Pendant plus d'un millénaire, c'était la cathédrale du Patriarcat œcuménique de Constantinople. Il a été pillé en 1204 par les Vénitiens et les Croisés sur la quatrième croisade.

​

Après la conquête turque de Constantinople en 1453, Mehmed II l'a fait transformer en mosquée, avec l'ajout d'un minaret en bois, un lustre, un mihrab, et un minbar. Soit lui ou son fils Bayezid II a érigé le minaret rouge qui se trouve sur le coin sud-est de la structure. Le minaret en bois d'origine n'a pas survécu. Bayézid II a érigé l'étroit minaret blanc du côté nord-est de la mosquée. Les deux minarets identiques sur le côté ouest ont probablement été commandés par Selim II ou Murad III et construits par le célèbre architecte ottoman Sinan dans les années 1500.

​

En 1934, Mustafa Kemal Atatürk a sécularisé le bâtiment et, en 1935, il a été transformé en musée. Les historiens de l'art considèrent les belles mosaïques du bâtiment comme la principale source de connaissances sur l'état de l'art de la mosaïque peu après la fin de la controverse iconoclaste des VIIIe et IXe siècles. Sainte-Sophie est une composante d'un site du patrimoine mondial de l'UNESCO. les zones historiques d'Istanbul, qui comprend les autres principaux bâtiments et lieux historiques de cette ville.