Po páde Konštantínopola v roku 1453 dal sultán Mehmed II. Fatih chrám premeniť na mešitu. Z chrámu boli odstránené kresťanské relikvie a oltáre, v neskoršom období (17. storočie) bola prekrytá alebo zničená aj figurálna mozaiková výzdoba, ktorá sa nestotožňovala s islamským učením. Už za vlády Mehmeda II. bol k chrámu pridaný provizórny drevený minaret, modlitebný výklenok mihráb, a vyvýšený rečnícky pulpit pre imáma - minbar, Už v 16. storočí boli k chrámu pristavané aj 4 minarety (vláda Bajazida II., Selima II. a Murada III.), následne vznikli v tesnej blízkosti mešity mauzóleá osmanských sultánov (mauzóleum Selima II., mauzóleum Murada III. a mauzóleum Mehmeda III.). Na mauzóleum bolo v 17. storočia premenené aj baptistérium. Rekonštrukcie v 16. storočí mal na svedomí osmanský dvorný architekt Sinan, ktorý ku chrámu pridal napr. oporný systém. Za Murada III. v chráme vznikli muezínove lóže. V roku 1739 boli časti južnej bočnej lode prerobené na knižnicu. V rokoch 18471849 prešla stavba generálnou rekonštrukciou pod taktovkou Gaspara Trajana Fossatiho a Giussepeho Fosatiho, ktorí odkryli časti mozaikovej výzdoby a vybudoval sultánovu lóžu v bočnej lodi. Niektoré mozaiky sa zachovali len z fossatiovských náčrtov. V tomto období vzniklo aj osem zelených terčov zdobených islamskou kaligrafiou od Mustafu Izzata, ktorý vytvoril aj kaligrafiu citátu z Koránu vo vrchole kupoly.