Ce monument historique qui se trouve en face de la Mosquée de Sultan Ahmed, a d’abord été construit en tant qu’église et a été surnommé « Megale Ekklesia » qui signifie grande église. Son nom actuel a commencé à être utilisé vers la fin du Ve siècle.
Hagia Sophia a été inauguré le 15 Fevrier 360. Après l’incendie en 404, le complexe a en partie été brulé puis restauré à l'époque de Teodosios II (405-450). Il a reouvert ses portes au public le 10 Octobre 415. Le Complexe de Hagia Sophia a totalement brulé après la deuxième révolte de 532 et ainsi a été reconstruite par Isidoros et Artemios de l’Anatolie Occidental, sur la demande d’Iustinianos Ier. Des colonnes et des pierres ont été importées depuis divers endroits à Istanbul pour sa construction. Les travaux de reconstruction de Hagia Sophia ont duré cinq ans et ont été effectué par cent experts et dix mille travailleurs. Le complexe a rouvert ses portes au public le 27 Décembre 537.
Une nouvelle époque commence à Hagia Sophia après la conquête d’Istanbul par Mehmed II le Conquérant. Ce sanctuaire, utilisé pendant des siècles comme église, a été transformé en mosquée à l’époque de Mehmed II le conquérant. Un minaret en bois a été ajouté sur le coté de la demi-coupole située à l’ouest du sanctuaire. Puis un autre minaret a été ajouté à l’époque de Bayezid II et deux autres à l’époque du sultan Selim. La bibliothèque adjacente (1739), un shardivan (1740), l’un des plus beaux modèles de l’architecture ottomane, un muvakkithane (lieu où se réparait et se fabriquait des horloges) puis une école de sibyans (1742) ont été ajoutés au complexe à l’époque du sultan Mahmud Ier. Par ailleurs, le mihrab, le mahfil du muezzin et la chaire, fabriqués d’une main d’œuvre splendide et supposés exister depuis le 16e siècle, sont des chef- d’œuvres architecturales.
L’accès au complexe se fait par neuf portes. La coupole est une basilique mesurant 55,6 mètres de hauteur et 32 mètres de diamètre. Cette coupole est soutenue par quatre piliers massifs de 24,3 mètres de hauteur. Le marbre qui recouvre le palier de la mosquée est importé des îles de Marmara, le marbre rose veiné, de Karahisar, Afyon, l'ophite vert de Thessalie et de Mora, les porphyres, d'Egypte et le marbre jaune, d'Algérie. Le comble des paliers latéraux sont recouverts de mosaïques, les murs de pierres en couleurs et de splendides faïences. Les calligraphies qui ornent les murs du sanctuaire historique ont été faites par les célèbres calligraphes de L’époque Ottomane.
Hagia Sophia contient de nombreuses tombes de sultans. Le Sultan Selim II, Le Sultan Murad III, Le Sultan Mehmed III, Le Sultan Mustafa Ier et ainsi que d’autres membres de la dynastie reposent dans ce lieu.
En 1931, avec l’autorisation du gouvernement turc, l’Américain Th. Whittemore a commencé ses travaux pour tirer au clair les dessins en couleur et les mosaïques qui avaient été couvert d’un revêtement à l’époque de l’Empire Ottoman. La décision de transformer le complexe en un musée a été prise en 1934, pendant les travaux et ainsi il a ouvert ses portes au public en 1935. Les travaux de restauration de cet ouvrage qui continu d’être visité par des touristes aussi bien locaux que venus de l’étranger, continue aujourd’hui.