Omal kohal on ta juba kolmas kirik, aga praeguses mõõdus hiigelkuppel kõrgub Istanbuli linnapildis 27. detsembrist aastal 537. Esimene kirik, aastal 360 valminud nn Suur Kirik, põles maha aastal 404 ja teine, 11 aastat hiljem püsti pandud puukatusega basiilika omakorda põles maha Nika rahutustes aastal 532.

Ja tervet hilisemat arhitektuuri revolutsiooniliselt muutnud Hagia Sophia püstitati seega viie aastaga, aastail 532-537. Bütsantsi keiser Justinianus I avas uue kiriku suurte pidustustega 27. detsembril 537, ja ühtlasi muutus tollane Konstantinoopol selgelt ka arhitektuurimaailma keskuseks. Sellist kirikut olevat keiser  näinud öösel unes.

Hagia Sophia on 82 meetrit pikk ja 73 meetrit lai hoone, kupli kõrguseks on 55 meetrit.

Selle bütsantsi arhitektuuri tippsaavutuse taustal olid ehitusmeistrid Anthemos Trallesest ja Isidoros Mileetosest, kuigi esimene neist suri juba enne katedraali valmimist. Ehitustöid on kirjeldatud ka kaasaegsete kirjutatud raamatutes, näiteks materjali veeti kokku kogu impeeriumi aladelt, kivisambad veeti kohale lausa Efesose Artemise templist, punast porfüüri veeti kohale Egiptusest, rohelist marmorit Tessaaliast, musti kive Bosporuse kaldalt, ja kollast kivi Süüriast.

Enam kui kümme tuhat inimest kaasati ehitustele, siseseinu katvad mosaiigid valmisid veel küll aastakümneid pärast katedraali avamist. Ja siis tuli maavärin aastal 558, kukutades esimese kupli sisse, aga nüüd ehitas Isidoros noorem kiriku veelgi tugevamana. Uued maavärinad, aastal 859 ja 989 purustasid jälle osa hoonest, ja nüüd kirik taastati endises hiilguses.

Ja siis tuli neljas ristisõda, aastal 1204, kui kristlikust Euroopast kohale saabunud ristirüütlid ei osanud millegipärast õigeusu pühamust lugu pidada, rüüstades Hagia Sophiat korralikult. Kuid kirik jäi püsti, lagunedes ja 1346. aastal jälle osaliselt sisse varisedes. Ja jälle taastati.

Uuesti rüüstati Hagia Sophiat 1453. aastal, kui türklased Konstantinoopoli vallutasid. Kuid niivõrd muljetavaldavat hoonet lammutama ei hakatud - sultan Mehmed II tegi temast hoopis Aya Sofya mošee. Hoonele lisati minaretid, loomulikult ka kogu kristlik sisustus asendati islamipärasega, aga hoone elas selle kõik üle.

Kristliku kirikuna kestis Hagia Sophia kokku 915 aastat, islami mošeena vähem kui 500 aastat. 1931. aastal otsustas nüüd juba ilmalik Türgi Vabariik mošee sulgeda, ja neli aastat hiljem avati ta muuseumina. Turistidele on ta avatud kuus päeva nädalas, välja arvatud esmaspäeviti.