Спочатку на тому місці, де зараз височить Айя-Софія (в античні часи тут розташовувалася ринкова площа Августеон) знаходився храм язичницької богині Артеміди, який простояв до 360 року. Потім римський імператор Костянтин I збудував тут невелику церкву Святої Софії. Щоправда, за версією Сократа Схоластика, візантійського християнського історика грецького походження, перший храм на честь цієї святої було зведено в епоху його наступника Констанція II. З нею не погоджувався російський історик XIX століття Никодим Павлович Кондаков, який думав, що побудував церкву все ж таки Костянтин, а Констанцій лише розширив будівництво. Аж до 380 року храмом володіли послідовники аріанства, однієї з ранніх течій у християнстві, після чого собор перейшов до рук нікеніан – за велінням імператора Феодосія I. Монарх особисто ввів у храм Григорія Богослова, який згодом став архієпископом Константинополя.
404 року у Візантії спалахнуло народне повстання, під час якого храм згорів. На його місці збудували нову церкву, але незабаром, у 415 році, і її було знищено пожежею. Того ж року за наказом імператора Феодосія II звели нову базиліку, проте зла доля і її не пощадив: вона теж згоріла. Це сталося в ході найбільшого за всю історію Візантії та Константинополя бунту, відомого як повстання «Ніка» (у перекладі з грецької «Перемагай» – саме це гасло використовували повсталі). Тоді Візантією правив імператор Юстиніан I. Вже через 40 днів після пожежі він наказав звести на місці колишнього храму новий собор. За легендою, план будівництва величної культової споруди приніс монарху ангел, що з’явився уві сні.
Імператор бачив майбутній храм символом величі імперії та справжньою окрасою столиці, тому площу під нього він вирішив розширити. З цією метою навколишні ділянки землі були викуплені у їх власників, а споруди, що знаходилися на них, знесені. Керували роботами, на яких було задіяно 10 тисяч робітників, Ісидор Мілетський та Анфімій Тральський – найкращі архітектори того часу, які раніше виявили себе на будівництві церкви святих Сергія та Вакха. Мармур для майбутньої юстиніанової базиліки везли з Нумідії, Проконнісу, Ієраполя та Кариста, і це був найкращий будівельний матеріал. При будівництві також використовувалися архітектурні елементи таких стародавніх споруд, як Ефес і храм Сонця в Римі – відповідно, вісім колон із зеленого мармуру та вісім колон із порфіру. Для прикраси собору та надання йому блиску та розкоші константинопольський правитель не шкодував золота, срібла та слонової кістки.
На будівництво було витрачено величезні кошти – три річні доходи Візантійської імперії. І собор Святої Софії вдався до таких витрат: він був настільки чудовий, що народна чутка приписувала пряму участь у його спорудженні надприродним силам. Збереглося переказ, що Юстиніан нібито хотів стіни собору, починаючи від підлоги і закінчуючи склепіннями, покрити золотом, але його зупинили астрологи, які пророкували, що «наприкінці століть» царюватимуть дуже бідні царі і в бажанні заволодіти всіма багатствами храму вони «зріють його вщент». Імператора, для якого власна слава була аж ніяк не порожнім звуком, така перспектива засмутила, і він вирішив не надто розкошувати з внутрішнім оздобленням храму. І все ж таки собор Святої Софії, як зазначав сучасник будівництва Прокопій Кесарійський, «представляв чудове видовище, – для тих, хто дивився на нього, він здавався винятковим, для тих, хто чув про нього – абсолютно неймовірним». За його описом, храм, ніби схиляючись над Константинополем, настільки над ним видавався, що місто з нього було видно, як на долоні.
Зведення собору завершилося в рекордні на той час терміни, всього за п’ять років, і 27 грудня 537 року, на Різдво, відбулося урочисте відкриття. Чин освячення звершив патріарх Константинопольської церкви Міна. Переказ свідчить, що Юстиніан, переступивши поріг Святої Софії, вигукнув: «Соломоне, я перевершив тебе!», маючи на увазі будівництво третім єврейським царем і правителем об’єднаного Ізраїльського царства Єрусалимського храму.
Сучасники називали собор великим, і це визначення повною мірою відповідало дійсності. Для богослужінь, які звершувалися 525 служителями культу, з яких священиками були 60, а дияконами – 100 осіб, використовувалося дорогоцінне начиння. За імператора Іраклії I штат собору зріс до 600 чоловік.
Через кілька років після завершення будівництва стався сильний землетрус, який зруйнував частину будівлі. Постраждали його східна сторона, що під вівтарем, ківорій, амвон та свята трапеза. З хронографії візантійського ченця Феофана Сповідника відомо, що у слабкій сейсмостійкості Святої Софії були винні механіки, які не встановили підтримки знизу, але при цьому залишили прольоти між стовпами, які підтримували купол, і в результаті стовпи не витримали. У 989 році стався ще один потужний землетрус, від якого храм теж постраждав: цього разу найсильнішому руйнуванню зазнав купол. Будівлю довелося підперти контрфорсами, що далося взнаки на його зовнішньому вигляді. Купол відновив вірменський архітектор Трдат, автор проекту кафедрального собору Святої Діви у місті Ані, зробивши його навіть вищим, ніж він був.
В 1054 Софійський собор увійшов в історію світового християнства як місце, в якому було покладено початок поділу церков на православну і католицьку. Це сталося 16 липня, коли під час богослужіння константинопольський патріарх Михайло Керулларій отримав відлучну грамоту, яку вручив легат Папи Римського Лева IX кардинал Гумберт Сільва-Кандидський, після чого 20 липня папські легати віддали патріарху анафемі. Останнє в історії Святої Софії християнське богослужіння відбулося вночі 28 травня 1453 року. Візантія переживала період своєї агонії, і це богослужіння, по суті, було заупокійним за імперією, що вмирає. Під час літургії останній імператор Костянтин XI Драгаш та його почет попрощалися з патріархом. І вже наступного дня храм захопили турки.
За описом грецького історика Дука, автора «Візантійської історії», загарбники поводилися як справжні варвари. Озброєні мечами, вони розламали зачинені ворота собору і, увірвавшись усередину, викрали з ікон прикраси, а образи самі розрубали на частини. У Святій Софії в той момент перебували ті, хто молився, яких турки жорстоко вбили. Переказ говорить, що крові пролилося так багато, що її рівень навіть був позначений у вигляді червоної смуги на одній із колон.
30 травня до головного храму поваленої Візантії вступив султан Османської імперії Мехмед II. Саму будівлю турки руйнувати не стали. Прилаштувавши до нього чотири мінарети, перетворили його на мечеть, назвавши Айя-Софія. У другій половині XVI століття до колишнього собору прибудували контрфорси – вертикальні конструкції, дуже важкі та грубі, призначені для посилення стін. Ці споруди помітно змінили його зовнішній вигляд. Що стосується внутрішнього оздоблення, на фрески та мозаїки було нанесено штукатурку – мабуть, для того, щоб вони не нагадували про його православне минуле. Реставрація ж у мечеті Айя-Софія не проводилася до середини ХІХ століття, доки про це не розпорядився султан Абдул-Меджид I. Рішення було продиктовано тим, що будівлі загрожував обвал. Відповідальними за проведення робіт призначили архітекторів Джузеппе та Гаспаре Фоссаті. Реставрація стартувала 1847 року і тривала два роки.
Після поразки Османської імперії у Першій світовій війні 2 листопада 1922 року було скасовано монархію та проголошено Турецьку Республіку. І лише 1935 року нова влада вирішила долю цієї унікальної історичної, релігійної та архітектурної пам’ятки. Глава уряду Кемаль Ататюрк підписав декрет, згідно з яким мечеть стала музеєм. Щоб вона повною мірою відповідала такому статусу, шари штукатурки з мозаїк та фресок були зчищені. 2006 року в будівлі обладнали окреме приміщення, щоб співробітники музейного комплексу могли відправляти мусульманські релігійні обряди. У 2018 році до Конституційного суду Туреччини надійшло подання однієї з приватних організацій, що спеціалізується на історичних пам’ятниках, про повернення музею Айя-Софія статусу мечеті. Проте судді відхилили його як неприпустиме.