Původně křesťanský chrám byl vystavěn za vlády byzantského císaře Justiniána v letech 532 – 537 ve městě tehdy zvaném Konstantinopol (ve slovanském prostředí od 9. století bylo používáno pojmenování Cařihrad) a sloužil jako sídlo patriarchy. Se svou hlavní kopulí, která je 55 metrů vysoká a navíc s průměrem 31 metrů si chrám téměř tisíc let, do dokončení katedrály v Seville, držel prvenství jako největší chrám světa.
Po dobytí byzantské říše Osmany v roce 1453 byl chrám přebudován na mešitu, figurální křesťanské mozaiky byly zakryty a později byla mešita, která se stala hlavním istanbulským svatostánkem a podle níž se stavěly další mešity nejdříve v Istanbulu, ale později rovněž i po celé zemi, opatřena minarety.
Přestože byl chrám hned několikrát zasažen zemětřesením a v roce 558 se dokonce zřítila i jeho hlavní kopule, byl následně vždy opraven a do dnešních dnů se v něm zachovala nádherná křesťanská i islámská výzdoba.
Na konci 19. století se Hagia Sofia nacházela ve velmi špatném stavu. Tehdejší turecký sultán proto ze Švýcarska pozval bratry Fossatiovi, aby provedly nezbytnou opravu stavby.
V roce 1934 nařídil Mustafa Kemal Atatürk, tehdejší prezident Turecké republiky, že Hagia Sofia bude sekularizována a přebudována na muzeum. Dodnes slouží odsvěcený chrám, zapsaný v seznamu světového dědictví UNESCO, jako muzeum a je zároveň nejvýznamnější památkou byzantské architektury a také snad nejvýraznějším symbolem celého Istanbulu. V roce 1993 inspekce UNESCO zjistila chátrající stav budovy, takže následně proběhla její rekonstrukce.
V květnu roku 2016 demonstrovalo před chrámem Hagia Sofia několik tisíc muslimů z různých částí Turecka, aby tak vyjádřili podporu opětovnému zavedení islámských bohoslužeb v tomto chrámu. A jak se zdá, také i současný turecký prezident a navíc i turecký Nejvyšší správní soud jsou této myšlence, dle vyjádření z posledních dní, velice nakloněni. Turecký soud tuto proměnu schválil na základě podané stížnosti, kdy došel k názoru, že takový krok je legální, neboť podle jeho verdiktu bylo rozhodnutí ministerské rady z roku 1934 změnit mešitu na muzeum protiprávní. A prezident Erdogan ji posvětil tím, že podepsal příslušný dekret. Je tedy velmi pravděpodobné, že toto unikátní muzeum se nakonec skutečně opět promění v muslimskou mešitu…
