Bugünkü Ayasofya'nın bulunduğu yerde ilk kilise 12.05.360 yılında yapılmıştı. O zamanki Bizans'ın en büyük mabedi olan bu yapı 44 yıl sonra bir yangında yokoldu. 415 yılında onun yerine yapılan yeni kilise de 532'de yine bir yangında yokoldu. Bundan sonra İmparator Justinyan (M.S. 527-565), Hz. Adem'den beri görülmemiş ihtişamda, yangınlara ve depremlere direnebilecek, gelecek çağlara ulaşabilecek sağlamlıkta bir eser yaptırmaya karar verir. Bu büyük yapının inşaasına Aydın'lı Antonius ve Milet'li İsodoros adlı mimarları tayin eder. Eski mabedlerin en güzel malzemeleri toplanarak İstanbul'a getirilir. 8 sütun Efes'teki Artemis tapınağından, diğer sütunlar da Atina, Roma, Delf ve öteki şehirlerdeki mabedlerden toplanarak hepsinden ayrı bir yücelik kazandırılmak istendi. O zamanın meşhur mermer ocakları olan Prokonez'den beyaz mermerler, Eğriboz adasından açık yeşil mermerler, Karia'dan beyaz-kırmızı mermerler, Mısır'dan porfirler, Teselya ve Lakonya'dan yeşil mermerler ve Siga'dan damarlı pembe mermerler getirildi.

Her gün 1.000 işçi çalıştırılarak 5 yıl süren inşaat 27.12.537'de açıldı. Ayasofya 77 metre uzunlukta, 71,70 metre genişlikte bir alanı kaplar. Mabede 9 büyük kapıdan girilmektedir. Kubbesi 33 metre çapında ve 55,60 metre yüksekliğindedir. Kubbenin kendi yüksekliği 13,80 metre, bütün binanın yüksekliğiyse 81 metredir. Kubbe hafif tuğlalardan yapılmıştır. Kubbe kasnağında 40 tane pencere vardır. Bunlardan dördü kapalı durur. Yapıyı ayakta tutan 107 sütundan 40 tanesi alt, 67 tanesi de üst kısımdadır. Bina zemininin altına geniş sarnıçlar yapılmış ve içine büyük fil ayakları dikilmiş, bu şekilde depremlere karşı esneklik ve mukavemet kazandırılmıştır.

2. Haçlı seferlerine kadar Ayasofya'nın içi benzersiz mozaikler, renkli mermerler, fildişi levhalar, altın, gümüş ve diğer değerli taşlarla, ağır işlemeli kumaşlarla süslüydü. Kubbenin altında, orta yerde fildişinden yapılmış ve değerli taşlarla bir kürsü vardı. Mihrabın önünde de altın yaldızlı gümüş bir bölme bulunuyordu. Tarihçilere göre Ayasofya'da bulunan gümüş kaplamalar ve süsler 20.000 kilo civarındaydı. 1204'te İstanbul'u işgal eden Haçlılar mozaiklerin çoğunu, altın, gümüş ve değerli taşlarla süslü olan herşeyi yağma ettiler.

İstanbul'un fethinden sonra Fatih Sultan Mehmet'in emriyle camiye çevrilen Ayasofya'daki bazı freskler ve haçlar bozulmayacak şekilde badana ile örtüldü. Mabedin güneydoğu tarafı iki payanda ile takviye edildi ve aynı köşeye bir minare yapıldı. Mabede II. Beyazıt bir, Kanuni Sultan Süleyman da 2 adet minare daha ilave ettirmiştir.

1453'ten itibaren cami olarak kullanılan Ayasofya, 1 Şubat 1935'de müze haline getirilmiştir.