Η Α' Αγία Σοφία θεμελιώθηκε από τον Μεγάλο Κωνσταντίνο αλλά οικοδομήθηκε από το γιο του Κωνστάντιο ( ). Τα εγκαίνιά της έγιναν το 346.
Η Β' Αγία Σοφία χτίστηκε πάλι από τον Κωνστάντιο, στη σημερινή θέση της Αγίας Σοφίας του Ιουστινιανού Τα εγκαίνια της Β' Μεγάλης Εκκλησίας έγιναν από τον πατριάρχη Ευδόξιο το 360. Ο ναός έπαθε μεγάλες ζημιές κατά καιρούς και καταστράφηκε από πυρκαγιές.
Η Γ' Μεγάλη Εκκλησία είναι έργο του Θεοδοσίου Β' ( ). Τα εγκαίνιά της έγιναν το 415.
Κατά τη στάση του Νίκα καταστράφηκαν από πυρκαγιές τόσο η Αγία Ειρήνη όσο και η Γ' Αγία Σοφία του Θεοδοσίου Β'. Μετά την καταστολή της στάσεως ο Ιουστινιανός ( ) αμέσως απεφάσισε το χτίσιμο της σημερινής Δ' Αγίας Σοφίας επάνω στα ερείπια της βασιλικής
Οι οικοδόμοι της Αγίας Σοφίας ήταν οι μεγαλύτεροι στην ειδικότητα τους επιστήμονες της ελληνικής Ανατολής. Ο «μηχανικός» Ανθέμιος και ο αρχιτέκτων Ισίδωρος
Έχει ρυθμό βασιλικής με τρούλο και αποτελείται από τα εξής μέρη: το αίθριο, τους δύο νάρθηκες και τον κυρίως ναό. Το αίθριο είναι αυλή, ορθογώνια με κολόνες γύρω γύρω και με βρύση στο κέντρο (κρήνη) που έφερε την περίφημη επιγραφή "ΝΙΨΟΝ ΑΝΟΜΗΜΑΤΑ ΜΗ ΜΟΝΑΝ ΟΨΙΝ", που διαβαζόταν και αντίστροφα (καρκινική). Σήμερα η επιγραφή δε σώζεται.
Το μήκος του ναού είναι 80,90 μ. το πλάτος 69,5 μ. και το ύψος 55,6 μ. Η διάμετρος του τρούλου είναι 33 μ. και το ύψος του 13,8 μ.
Ο ναός άρχισε να χτίζεται στις 23 Φεβρουαρίου 532 και τελείωσε το 537 μ. Χ. στις 27 Δεκεμβρίου. Περνώντας την πύλη και κάτω από τον τρούλο ο Ιουστινιανός αναφώνησε: " Νενίκηκά σε, Σολομών!" Είκοσι χρόνια αργότερα δυνατός σεισμός θα καταστρέψει το θόλο και μέρος του ναού αλλά ο Ισίδωρος ανιψιός του άλλου φρόντισε για τη στερέωση του ναού.
Στη ΝΔ πλευρά της Αγίας Σοφίας τοποθετήθηκε και η "κολόνα" του Ιουστινιανού με το χάλκινο έφιππο άγαλμά του.
Στα επόμενα χρόνια όλα τα μεγάλα γεγονότα τελούνταν εκεί, όπως στέψεις αυτοκρατόρων, γάμοι αυτοκρατόρων, ανακήρυξη Πατριαρχών κλπ Μετά την άλωση από τους Τούρκους μετατράπηκε σε τζαμί και σήμερα είναι μουσείο.