Al momento della presa di Costantinopoli, durante la Quarta Crociata, la chiesa fu saccheggiata e profanata dai cristiani latini. Lo storico bizantino Niceta Coniata descrisse come furono rubate dalla chiesa molte reliquie, tra cui una pietra della tomba di Gesù, il latte della Vergine Maria, il sudario di Gesù e le ossa di alcuni santi, portate verso le chiese dell'ovest. Durante l'occupazione latina di Costantinopoli (1204-1261) la chiesa divenne una cattedrale cattolica romana. Baldovino I di Costantinopoli fu incoronato imperatore il 16 maggio 1204 a Santa Sofia. Enrico Dandolo, doge di Venezia che comandò l'invasione della città da parte dei Crociati, fu sepolto all'interno della chiesa. Tuttavia, i restauri effettuati tra il 1847 e il 1849 hanno gettato alcuni dubbi sull'autenticità della tomba del doge.