Dnešná Hagia Sofia bola postavená na podnet byzantského cisára Justiniána I. Stavba sa začala krátko po doznení povstania Niká v roku 532 a vysvätená 26. decembra 537. Architektmi stavby boli Isidor z Milétu a Anthemios z Trallu, celkovo sa na nej mali podieľať tisíce umelcov a remeselníkov, a k výstavbe sa viaže viacero legiend. Chrám bol viackrát opravovaný. Pôvodná kupola, ktorá mala pomerne nízky profil, sa už v roku 558 zrútila pri zemetrasení a opráv sa zhostil Isidóros mladší. Nová (dnešná) kupola bola o 7 metrov zvýšená a posvätená bola v roku 563. Chrám bol bohato vyzdobený a zariadený zlatom a striebrom, celkovo sa minulo vyše 20 ton striebra. K chrámu prislúchal v 6. storočí vyše 500-členný klérus na čele s ekumenickým patriarchom, administratívne však bol chrám spojený s ďalšími tromi vedľajšími kostolmi. Bohoslužby sa konali nielen pred oltárom, ale aj priamo pod kupolou, ženy a muži sa omší zúčastňovali oddelene, ženám bola vyhradená galéria (tribúna). Popis ranej podoby chrámu sa zachoval vďaka diel z pera Prokopia Cézarejského, Pavla Silentiaria a Konštantína VII. Druhá významná rekonštrukcia chrámu sa udiala v roku 994 pod taktovkou arménskeho architekta Trdata, vynútená bola zemetrasením v roku 989. Po dobytí Konštantínopola štvrtou krížovou výpravou (1204) bol chrám vyplienený križiakmi a do roku 1261 sa stal sídlom latinského patriarchu Konštantínopola. V roku 1317 boli pridané prvé oporné systému, a následne musela byť znovu opravená po tom, čo ju opäť poškodilo zemetrasenie v roku 1346.