堂伫立的地点曾经存在过两座被暴乱摧毁的教堂，公元532年拜占庭皇帝查士丁尼一世下令建造第三所教堂。在拜占庭雄厚的国力支持之下，由物理学家米利都的伊西多尔及数学家特拉勒斯的安提莫斯设计的这所教堂在公元537年便完成了其建造。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。圣索菲亚大教堂由360年落成直至1453年期间都是君士坦丁堡的大教堂。奥斯曼土耳其人在1453年征服君士坦丁堡，苏丹穆罕默德二世下令将大教堂转变为清真寺，