Početkom 6. stoljeća Carigrad je bio središte Bizantskog Carstva, no suočavao se s unutarnjim nemirima. Godine 532., tijekom vladavine cara Justinijana I., izbila je pobuna Nika, jedan od najznačajnijih ustanaka u povijesti Carstva.
Pobuna je rezultirala velikim razaranjima, uključujući uništenje tadašnje crkve Aje Sofije. Nakon gušenja pobune Justinijan je odlučio izgraditi novu, veličanstveniju crkvu koja bi simbolizirala obnovu i moć Carstva.
Za realizaciju ovog ambicioznog projekta Justinijan je angažirao dvojicu istaknutih znanstvenika i arhitekata: Antemija iz Trala i Izidora iz Mileta. Obojica su bila poznata po svojim matematičkim i inženjerskim vještinama, što je bilo ključno za dizajn i konstrukciju tako složene građevine. Njihov zadatak bio je stvoriti strukturu bez presedana, koja bi kombinirala funkcionalnost i estetiku.
Unatoč veličini i složenosti projekta, izgradnja nove Aje Sofije trajala je izuzetno kratko - samo pet godina i deset mjeseci, od 532. do 537. godine. Ova brzina gradnje bila je nevjerojatna za to doba i svjedoči o izvanrednoj organizaciji i predanosti svih uključenih.
Jedan od najimpresivnijih aspekata Aje Sofije je njezina središnja kupola, promjera oko 32 metra i visine približno 55 metara. Kupola se oslanja na četiri masivna stupa preko pandantiva, što omogućuje prijelaz s kvadratne osnove na kružnu kupolu - inovacija koju se smatra prekretnicom u povijesti arhitekture.
Za izgradnju su korišteni najkvalitetniji materijali iz raznih dijelova Carstva. Unutrašnjost je ukrašena raznobojnim mramorima, uključujući zeleni i bijeli mramor te purpurni porfir. Zidovi i svodovi bili su prekriveni zlatnim mozaicima koji su odražavali svjetlost i stvarali dojam nebeskog sjaja unutar prostora.
Prema povjesničaru Prokopiju, car Justinijan je, zadivljen ljepotom dovršene crkve, uzviknuo: "Salomone, nadmašio sam te!" Ova izjava odražava carev ponos i uvjerenje da je stvorio građevinu koja nadmašuje čak i legendarni Salomonov hram.
Aja Sofija je stoljećima služila kao glavna crkva Bizantskog Carstva i sjedište carigradskog patrijarha. Njezina jedinstvena arhitektura poslužila je kao inspiracija za mnoge kasnije crkve i džamije diljem svijeta.
Ipak, tijekom srednjeg vijeka tri puta je bila ozbiljnije oštećena. Prvi put, 856. tijekom velikog požara u gradu, onda zbog potresa 989. godine. Iduća velika obnova dogodila se nakon još jednog požara 1346. godine.
1453. godine Carigrad su osvojile Osmanlije, no crkva nije bila oštećena. Mehmed II. odmah ju je pretvorio u džamiju, a kršćanske relikte prodao ili rastopio radi skupih metala.
Od svog završetka u 6. stoljeću do danas Aja Sofija je doživjela brojne promjene. Nakon četvrtog Križarskog rata 1204. godine bila je opljačkana i pretvorena u katoličku katedralu, da bi je Bizantinci ponovno preuzeli 1261. Osmanlije su je 1453. godine pretvorili u središnju džamiju Carigrada, uklonivši kršćanske mozaike ili ih prekrivši vapnom te dodavši minarete i druge islamske elemente.
Tijekom 20. stoljeća, pod vodstvom Mustafe Kemala Atatürka, Aja Sofija postaje muzej i simbol turske sekularizacije. 2020. godine ponovo je postala džamija.