Ayasofya Doğu Roma (Bizans) İmparatorluğu’nun İstanbul’da yapmış olduğu en büyük kilise olup aynı yerde üç kez inşa edilmiştir.
Birinci Kilise, İmparator Konstantinos (337-361) tarafından 360 yılında yapılmıştır.
Bugün patriğin mozaik tasviri, Ayasofya’nın kuzey tymphanon duvarında görülebilmektedir.
Günümüzde ilk kiliseye ait herhangi bir kalıntı bulunmamakla birlikte, müze deposunda bulunan Megale Ekklesia damgalı tuğlaların bu yapıya ait olduğu düşünülmektedir.
İkinci Kilise, İmparator II. Theodosios (408-450) tarafından 415 yılında yeniden inşa ettirilmiştir. Bu yapının, beş nefli, ahşap çatı ile örtülü ve anıtsal bir girişe sahip Bazilikal planda olduğu bilinmektedir.
Günümüz Ayasofya’sı İmparator Justinianos (527-565) tarafından dönemin iki önemli mimarı olan Miletos’lu (Milet) İsidoros ile Tralles’li (Aydın) Anthemios’a yaptırılmıştır.
Tarihçi Prokopios’un aktardığına göre, 23 Şubat 532 yılında başlayan inşa, 5 yıl gibi kısa bir sürede tamamlanmış ve kilise 27 Aralık 537 yılında törenle ibadete açılmıştır.
İmparator Justinianos Ayasofya’nın daha görkemli ve gösterişli olması için, maiyetindeki tüm eyaletlere haber göndererek, en güzel mimari parçaların Ayasofya’da kullanılması için toplatılmasını emretmiştir. Bu yapıda kullanılan sütun ve mermerler; Aspendos, Ephesos, Baalbek, Tarsus gibi Anadolu ve Suriye’deki antik şehir kalıntılarından getirilmiştir. Yapıdaki beyaz mermerler Marmara Adası’ndan, yeşil somakiler Eğriboz Adası’ndan, pembe mermerler Afyon’dan ve sarı mermerler Kuzey Afrika’dan getirilerek Ayasofya’da kullanılmıştır. Yapının iç kısmında yer alan duvar kaplamalarında; tek blok halinde mermerlerin ikiye bölünerek yan yana getirilmesi ile simetrik şekiller ortaya çıkarılmış ve damarlı renkli mermerlerin iç mekânda kullanılmasıyla dekoratif bir zenginlik oluşturulmuştur. Ayrıca, yapıda Efes Artemis Tapınağı’ndan getirilen sütunların neflerde, Mısır’dan getirilen 8 adet porfir sütununun ise yarım kubbeler altında kullanıldığı bilinmektedir. Yapıda 40 tanesi alt galeride, 64 tanesi ise üst galeride olmak üzere toplam 104 adet sütun bulunmaktadır.
Ayasofya’nın mermer kaplı duvarları dışındaki tüm yüzeyler birbirinden güzel mozaiklerle süslenmiştir. Mozaiklerin yapımında altın, gümüş, cam, pişmiş toprak ve renkli taşlardan oluşan malzemeler kullanılmıştır. Yapıdaki bitkisel ve geometrik mozaikler 6. yüzyıla, tasvirli mozaikler ise ikonaklazma (Tasvir Kırıcılık Dönemi 730- 842) sonrasına tarihlenir.
Ayasofya Doğu Roma Döneminde İmparatorluk Kilisesi olması nedeniyle İmparatorların taç giyme merasimlerinin yapıldığı mekândı. Bu sebeple Ayasofya’da ana mekanın (naos) sağında bulunan, renkli taşlardan yuvarlak ve geçmeli desenli yer döşemesi (omphalion), Doğu Roma İmparatorlarının taç giydiği bölümdür.
Ayasofya, Fatih Sultan Mehmed’in (1451-1481) 1453’te İstanbul’u fethetmesiyle camiye çevrilmiştir.