in en geniş kubbesi olan Ayasofya’nın merkezî kubbesi, Bizans döneminde birçok kez çökmüş, Mimar Sinan’ın binaya istinat duvarlarını eklemesinden itibaren hiç çökmemiştir. 

15 yüzyıl boyunca ayakta duran bu yapı sanat tarihi ve mimarlık dünyasının baş yapıtları arasında yer alır ve büyük kubbesiyle Bizans mimarisinin bir simgesi olmuştur. Ayasofya diğer katedrallere kıyasla şu özellikleriyle ayırt edilir:

 İlk Ayasofya inşaatı Hristiyanlığı imparatorluğun resmî dini ilan eden Roma imparatoru Büyük Konstantin (Bizans’ın ilk imparatoru I. Constantinus) tarafından başlattırılmıştır. 337 ile 361 yılları arasında tahtta olan Büyük Konstantin'in oğlu II. Constantius tarafından tamamlanmış ve Ayasofya kilisesinin açılışı 15 Şubat 360’ta Constantius II tarafından gerçekleştirilmiştir. Socrates Scholasticus’un kayıtlarından gümüş kaplı perdelerle süslü ilk Ayasofya’nın Artemis Tapınağı üzerine inşa edilmiş olduğu öğrenilmektedir.

Adı “Büyük Kilise” anlamına gelen ilk Ayasofya Kilisesi’nin adı Latince’de "Magna Ecclesia " ve Yunanca’da "Megálē Ekklēsíā" (Μεγάλη Ἐκκλησία) idi. Eski bir tapınak üzerine inşa edildiği belirtilen bu yapıdan günümüze ulaşan bir kalıntı bulunmamaktadır.

Bu Birinci Ayasofya, binanın inşası tamamlanana dek bir katedral niteliğinde işlev gören Aya İrini Kilisesi’nin vaktiyle yakınında yer alan imparatorluk sarayının yakınına (bugünkü müze alanının kuzey kısmındaki, yeni tuvaletlere yakın olan, ziyarete kapalı kısım) inşa edilmişti. Her iki kilise de Bizans İmparatorluğu’nun iki ana kilisesi olarak faaliyet göstermişlerdir.

Birinci Ayasofya geleneksel Latin mimarisi stilindeki bir sütunlu bazilika olup, çatısı ahşaptı ve önünde bir atrium yer almaktaydı. Bu ilk Ayasofya bile olağanüstü bir yapıydı. 20 Haziran 404’te Konstantinopolis Patriği Aziz İoannis Hrisostomos'un, İmparator Arcadius'un eşi İmparatoriçe Aelia Eudoksia ile çatışmasından dolayı sürgüne gönderilmesinin ardından çıkan isyanlar sırasında bu ilk kilise yakılarak büyük ölçüde tahrip olmuştur.

İlk kilisenin isyanlar sırasında yakılıp yıkılmasından sonra, imparator II. Theodosius bugünkü Ayasofya’nın bulunduğu yere ikinci bir kilisenin inşa edilmesi emrini vermiş ve İkinci Ayasofya’nın açılışı onun zamanında, 10 Ekim 415’te gerçekleşmiştir. Mimar Rufinos tarafından inşa edilen bu İkinci Ayasofya da yine bazilika planlı, ahşap çatılı ve beş nefliydi. İkinci Ayasofya'nın 381'de İkinci Ekümenik Konsil olan Birinci İstanbul Konsili'ne Aya İrini ile birlikte ev sahipliği yaptığı sanılmaktadır. Bu yapı 13-14 Ocak 532’de Nika ayaklanması sırasında yakılıp yıkılmıştır.

1935’te binanın batı avlusunda (bugünkü giriş kısmında) Alman Arkeoloji Enstitüsü’nden A.M. Schneider tarafından yürütülen kazılarda bu İkinci Ayasofya’ya ait birçok buluntu ele geçirilmiştir. Günümüzde Ayasofyanın ana girişinin yanında ve bahçede görülebilen bu buluntular, portik kalıntıları, sütunlar, başlıklar, bazıları kabartmalarla işlenmiş mermer bloklardır. Bunların vaktiyle binanın cephe kısmını süsleyen üçgen alınlığın parçaları olduğu saptanmıştır. Binanın cephesini süsleyen bir bloktaki kuzu kabartmaları 12 havariyi temsilen yapılmıştır. Ayrıca kazılar, İkinci Ayasofya’nın zemininin Üçüncü Ayasofya’nın zemininden iki metre daha aşağı bir düzeyde bulunduğunu ortaya koymuştur. İkinci Ayasofya’nın uzunluğu bilinmemekteyse de genişliğinin 60 m olduğu sanılmaktadır.(Günümüzde, Üçüncü Ayasofya’nın ana girişinin yanında yer alan, İkinci Ayasofya’ya ait cephe merdiveni basamaklarının yaslandığı zemin, kazılar sayesinde görülebilir durumdadır. Kazılara şimdiki binada çökmelere neden olabileceği nedeniyle devam edilmemiştir.)

İkinci Ayasofya’nın 23 Şubat 532’de yıkımından birkaç gün sonra imparator I. Justinianus öncekinden tümüyle farklı, daha büyük ve kendisinden önce gelen imparatorların yaptırdıkları kiliselerden çok daha görkemli bir kilise inşa ettirmeye karar verdi. Justinianus bu işi yapacak mimarlar olarak fizikçi Miletli İsidoros ile matematikçi Trallesli Anthemius’u görevlendirdi. Bir efsaneye göre, Justinianus inşa ettireceği kiliseye ilişkin hazırlanan taslakların hiçbirini beğenmez. Bir gece İsidoros taslak hazırlamaya çalışırken uyuyakalır. Sabah uyandığında Ayasofya'nın hazırlanmış bir planını önünde bulur. Justinianus bu planı mükemmel bulur ve Ayasofya'nın buna göre inşa edilmesini emreder. Bir başka efsaneye göre de İsodoros bu planı rüyasında görmüş ve planı rüyasında gördüğü şekilde çizmiştir.(Anthemius daha inşaatın ilk yılında öldüğünden işi İsidoros sürdürmüştür). İnşa, Bizanslı tarihçi Prokopius'un "Justinian'ın binaları" (, , "Binalar Üzerine"), adlı eserinde betimlenmektedir.

İnşada kullanılacak malzemeleri üretmek yerine, imparatorluk topraklarında yer alan yapı ve tapınaklardaki yontulmuş hazır malzemelerden yararlanmak yoluna gidilmiştir. Bu yöntem, Ayasofya’nın inşa süresinin çok kısa olmasını sağlayan etkenlerden biri olarak kabul edilebilir. Böylece binanın yapımında Efes’teki Artemis Tapınağı’ndan, Mısır’daki Güneş Tapınağı’ndan (Heliopolis), Lübnan’daki Baalbek Tapınağı’ndan ve daha birçok tapınaktan getirtilen sütunlar kullanılmıştır. Bu sütunların altıncı yüzyıl olanaklarıyla nasıl taşınabildiği ilginç bir konu oluşturmaktadır. Kaplama ve sütunlarda kullanılan renkli taşlardan kırmızı porfir Mısır, yeşil porfir Yunanistan, beyaz mermer Marmara Adası, sarı taş Suriye ve kara taş İstanbul kökenlidir. Ayrıca Anadolu’nun çeşitli yörelerinden gelen taşlar kullanılmıştır. İnşaatte on binden fazla kişinin çalıştığı belirtilir. İnşaat sonunda Ayasofya Kilisesi günümüzdeki halini almıştır.

Mimaride yaratıcı bir anlayışı gösteren bu yeni kilise yapılır yapılmaz, derhal mimarinin başyapıtlarından biri olarak kabul edildi. Mimarın böylesine büyük bir açık mekânı sağlayabilecek devasa bir kubbeyi inşa edebilmede İskenderiye’li Heron’un teorilerinden yararlanmış olması mümkündür.

23 Aralık 532'de başlanan yapım çalışması 27 Aralık[537'de tamamlandı. Kilisenin açılışını imparator Justinianus ve patrik Eutychius büyük bir törenle birlikte yaptılar. Ayasofya o zamana kadar en büyük yapı olarak kabul edilen Süleyman'ın Tapınağı’ndan daha büyük olduğundan İmparator I. Justinianus (Jüstinyen) halka yaptığı açılış konuşmasında "Ey Süleyman! Seni yendim" demiştir. Kilisenin ilk mozaiklerinin yapımı 565 ile 578 yılları arasında tahtta olan II. Justin döneminde tamamlanabilmiştir. Kubbe pencerelerinden sızan ışıkların duvarlardaki mozaiklerde oluşturdukları ışık oyunları dahiyane mimariyle birleşerek izleyicilere büyüleyici bir atmosfer yaratmaktaydı. Ayasofya İstanbul’a gelen yabancılar üzerinde öylesine büyüleyici, derin bir etki bırakmıştır ki, Bizans döneminde yaşayanlar Ayasofya’yı "dünyada tek" (""singulariter in mundo"") olarak nitelemişlerdir.

Fakat yapılışından kısa bir süre sonra, 553 Gölcük ve 557 İstanbul depremlerinde ana kubbe ile doğu yarım kubbesinde çatlaklar belirdi. 7 Mayıs 558 depreminde ise ana kubbe tümüyle çöktü ve ilk "ambon" , "ciborium" ve sunak da ezilerek yok oldu. İmparator derhal restorasyon çalışmasını başlattı ve bu çalışmanın başına Milet’li İsidoros’un yeğeni genç İsidorus’u getirdi. Depremden ders alınarak bu kez yeniden çökmemesi için kubbenin yapımında hafif malzeme kullanıldı ve kubbe eskisine kıyasla 6,25 m daha yükseğe yapıldı. Restorasyon çalışması 562 yılında tamamlandı.

Yüzyıllarca Konstantinopolis Ortodoksluk patriğinin merkezi olan Ayasofya aynı zamanda Bizans’ın taç giyme törenleri gibi imparatorluk törenlerine evsahipliği yapmıştır. İmparator VII. Konstantinos “Törenler Kitabı” ("De caerimoniis aulae Byzantinae") adlı kitabında Ayasofya’da yapılan imparator ve patrik tarafından düzenlenen törenleri tüm ayrıntılarıyla anlatmaktadır. Ayasofya, ayrıca günahkarlar için de bir sığınma yeri olmuştur.

Ayasofya’nın daha sonra uğradığı tahribatlar arasında 859 yangını, bir yarımkubbesinin düşmesine neden olan 869 depremi ve ana kubbesinde hasara yol açan 989 depremi sayılabilir. 989 depreminden sonra imparator II. Basil, kubbeyi Agine ve Ani’deki büyük kiliseleri inşa eden Ermeni mimar Trdat’a tamir ettirmiştir. Trdat kubbenin bir kısmını ve batı kemerini onarmış ve kilise 6 yıl süren onarım çalışmasından sonra 994’te yeniden halka açılmıştır.

Dördüncü Haçlı Seferi sırasında, Venedik Cumhuriyeti'nin âmâ Doçu Enrico Dandolo komutasındaki Haçlılar İstanbul’u ele geçirip Ayasofya’yı yağmalamışlardır. Bu olay Bizanslı tarihçi Nikitas Honiatis'in kaleminden ayrıntılı olarak öğrenilmektedir. Kiliseden aralarında İsa'nın mezar taşından bir parça, İsa'nın sarıldığı bez olan torino kefeni, Meryem'in sütü ve azizlerin kemikleri gibi birçok kutsal emanet ile altın ve gümüşten yapılma değerli eşyalar çalındı, kapılardaki altınlar bile sökülerek batı kiliselerine götürüldü şeklinde anlatılmaktadır. Latin İstilası (1204–1261) olarak anılan bu dönemde Ayasofya, Roma Katolik Kilisesi’ne bağlı bir katedrale dönüştürülmüştür. 16 Mayıs 1204 tarihinde Latin imparatoru I. Baudouin imparatorluk tacını Ayasofya'da giymiştir.

Enrico Dandolo adına konan mezar taşı Ayasofya’nın üst galerisindedir. Gaspare ve Giuseppe Fossati tarafından gerçekleştirilen 1847-1849 restorasyonu sırasında mezarın gerçek bir mezar olmadığı Enrico Dandolo anısına bir sembolik plaket olarak konulduğu ortaya çıkmıştır.

Ayasofya 1261'de tekrar Bizanslılar’ın kontrolüne geçtiğinde harap, virane ve yıkılmaya yüz tutmuş bir durumdaydı. 1317'de imparator II. Andronikos finansmanını ölen eşi İrini'nin mirasından karşılayarak binanın kuzey ve doğu kısımlarına 4 adet istinat duvarı (Πυραμὶδας, Yunanca:"Piramídas") ekletti. 1344 depreminde kubbede yeni çatlaklar belirdi ve 19 Mayıs 1346'da binanın çeşitli kısımları çöktü. Bu olaydan sonra kilise, 1354'te Astras ve Peralta adlı mimarların restorasyon çalışmasının başlamasına kadar kapalı kaldı.

İstanbul'un 1453'te Osmanlı Türkleri tarafından fethinden sonra, fethin sembolü olarak, derhal Ayasofya Kilisesi camiye dönüştürülmüştür. O sıralarda Ayasofya harap bir haldeydi. Bu durumu Kordoba soylusu Pero Tafur ve Florentin