Aya Sophia asalnya dibina sebagai sebuah katedral di antara tahun 532 dan 537 SM atas arahan Maharaja Byzantine Justinian. Ia direka oleh dua orang arkitek, Isidore dari Miletus dan Anthemius dari Tralles. Aya Sophia menjadi gereja besar di Constantinople selama hampir 1,000 tahun.

Pada tahun 1453, selepas kejatuhan Constantinople kepada empayar Uthmaniyyah, Sultan Muhammad al-Fatih mengarahkan bangunan itu diubahsuai menjadi sebuah masjid. Loceng, altar dan barang-barang berunsurkan agama Kristian kemudian dibuang sementara lukisan pada dinding pula ditampal. Ia telah digantikan dengan unsur-unsur Islam seperti mihrab, mimbar dan empat menara di luar bangunan. Aya Sophia kekal berfungsi sebagai sebuah masjid sehingga tahun 1935 apabila ia ditukar kepada muzium oleh kerajaan Republik Turki.

Selama hampir 500 tahun, Hagia Sophia menjadi masjid utama di Istanbul dan menjadi model pada masjid-masjid lain seperti Masjid Sultan Ahmed (Masjid Biru di Istanbul), Masjid Sehzade, Masjid Suleymaniye dan Masjid Rustem Pasha.