Tòa nhà hiện nay vốn được xây dựng làm nhà thờ từ năm 532 đến năm 537 theo lệnh của Hoàng đế Byzantine Justinian, và đã là Nhà thờ Trí tuệ Thánh thiêng thứ 3 được xây dựng tại địa điểm này (hai nhà thờ trước đã bị phá hủy bởi quân phiến loạn). Tòa nhà được thiết kế bởi hai kiến trúc sư Isidorus xứ Miletus và Anthemius xứ Tralles. Nhà thờ có một bộ sưu tập các thánh tích và có một bức tường tranh bằng bạc dài 15 m. Đây là nhà thờ trung tâm của Giáo hội Chính thống giáo Đông phương và trụ sở của Thượng phụ Đại kết thành Constantinopolis trong gần 1000 năm.
Năm 1453, kinh đô Constantinopolis bị đế quốc Ottoman chiếm. Vua Mehmed II lệnh biến tòa nhà thành một nhà thờ Hồi giáo. Chuông khánh, bàn thờ, tường tranh bị gỡ bỏ, nhiều phần nền khảm tranh mosaic bị trát vữa đè lên. Các chi tiết kiến trúc Hồi giáo, chẳng hạn mihrab, minbar, và 4 minaret ở bên ngoài, được xây thêm trong thời của các Ottoman. Tòa nhà là nơi thờ phụng của Hồi giáo cho đến năm 1935, khi nó được chính phủ Cộng hòa Thổ Nhĩ Kỳ chuyển thành một viện bảo tàng.
Trong gần 500 năm, Hagia Sophia là thánh đường Hồi giáo chính của Istanbul, làm mẫu hình cho nhiều thánh đường Hồi giáo Ottoman khác như Thánh đường Hồi giáo Vua Ahmed, Thánh đường Hồi giáo Şehzade, Thánh đường Hồi giáo Süleymaniye, và Thánh đường Hồi giáo Rüstem Pasha.
Tuy đôi khi nhà thờ được gọi là Sancta Sophia theo tiếng Latinh, giống với cách gọi dành cho Thánh Sophia, nhưng sophia là cách chuyển tự Latinh từ tiếng Hy Lạp, thuật từ Sophia có nghĩa là trí tuệ hoặc sự khôn ngoan. Tên đầy đủ bằng tiếng Hy Lạp là Ναός τῆς Ἁγίας τοῦ Θεοῦ Σοφίας, nghĩa là Đền Trí tuệ Thánh thiêng của Thiên Chúa.
Hagia Sophia là một trong những tòa nhà thuộc khu vực lịch sử Istanbul được UNESCO công nhận là di sản thế giới.
Xây dựng dưới thời hoàng đế Justinian tại Constantinople, do hai KTS Anthemius de Tralles và Isidorius de Miletus thiết kế. Trung tâm nhà thờ là mặt bằng hình vuông (75,6m x 68,4m), phía trên bao phủ bằng vòm bán cầu đường kính 33m (cao 51m tính từ nền) với cấu trúc vòm buồm.Tại phần tambour có 40 cửa sổ lấy ánh sáng.
Kích thước và cấu trúc của mái vòm là một kiệt tác về thiết kế, và tạo một sự đột phá về kết cấu, trở thành một thành tựu rực rỡ mà kiến trúc Byzantine đã đạt được. Từ 1453 sau khi nhà thờ được đổi chức năng thành nhà thờ hồi giáo. Người Thổ Nhĩ Kỳ đã cho xây thêm 4 tháp nhọn Hồi Giáo ở 4 góc gọi là các tháp Minaret, tạo nên cảnh quan nhà thờ như ngày nay. Nhà thờ Hagia Sophia đã là nhà thờ Cơ đốc giáo bề thế nhất và đẹp nhất ở phương Đông, là nhân chứng bền vững của lịch sử kiến trúc tôn giáo.