Ayasofya’nın inşaat düşüncesi Jüstinyen’in bir gece rüyasında bir Pîr’in kendisine dünyada bir eşi benzeri olmayan büyük bir mabet yaptırmasını, malını mülkünü kendi dini için sarf etmesini istemesi üzerine başlamıştır.

Ayasofya Kilisesi inşaatı Jüstinyen tarafından 532 yılının Ocak ayında başlatılmıştır. Mimarları Trallesli (Aydın) Anthemios ve Miletli İsidoros’dur.

İnşaatı 5 yıl 10 ay sürmüş ve 27 Aralık 537 tarihinde tamamlanarak kullanıma açılmıştır.

Ayasofya inşaatının temeli için zemin suyuna inilene kadar 40 arşın (yaklaşık 30 metre) kazılmıştır.

Rivayete göre Ayasofya inşaatının son aşaması olan kubbenin örülmesi zamanı geldiğinde Ayasofya Kilisesinin mimarı ortadan kaybolmuştur. Tüm şehirler aranır ancak mimar bulunamaz. Bulup getirene ödüller vaat edilmiştir.

Bu gelişme sonrası Konstantin ülkedeki tüm mimarları toplayıp kubbenin örülmesini ister. Ancak hiçbir mimar buna cesaret edemez. Bina 18 yıl boyunca bu şekilde yarım kalmıştır.

18 yıl sonra ortaya çıkan Ayasofya Mimarı Konstantin’in huzuruna getirilir ve neden kaçtığı sorulur. Mimar kendisinin kaçmadığını ancak binanın oturması için bu kadar zamanın geçmesi gerektiğini, eğer beklenmeseydi kubbe örüldüğünde binanın yıkalacağını söylemiştir. Sonrasında Ayasofya inşaatına giderek binanın yaklaşık 3 metre oturduğunu ispatlamıştır.

Jüstinyen inşaat sırasında kendi hükümdarlığındaki bütün ülkelere mektup yazarak Ayasofya inşaatında kullanılmak üzere en kaliteli mermer ve madenlerden yüksek direkler ve döşemelikler kestirilmesini ve ulaştırılmasını istemiştir.

553 ve 557 yılındaki depremler sonrası Ayasofya ana kubbesi zarar görmüş ve hizmete açıldıktan 20 yıl sonra Mayıs 558’de ana kubbe yıkılmıştır. Ayasofya mimarlarından İsidorus’un yeğeni olan genç İsidorus tarafından onarılmıştır.

989 yılında yaşanan depremde büyük hasar görmüş ve 996 yılında onarılarak tekrar hizmete açılmıştır.

Ayasofya Cami tüm Osmanlı Padişahları tarafından özenle korunmuş ve yapıya birçok eklemeler ve onarımlar yapılmıştır. Bu onarımların en kapsamlı ve masraflı olanı Abdülmecid döneminde yapılmıştır.

Ayasofya Cami Cumhuriyetin ilanından 11 yıl sonra 24 Kasım 1934 yılında müze haline getirilmiştir.