Ayasofya aynı yere üç kez inşa edilmiş bir eserdir. Günümüzdeki Ayasofya “Üçüncü Ayasofya” olarak bilinmektedir. Ayasofya’nın ilk inşaatı Hıristiyanlığı Roma İmparatorluğu’nun resmi dini olarak kabul eden I. Konstantin döneminde başlatılmıştır. İstanbul’un yedi tepesinden birincisi üzerinde ahşap çatılı bir bazilika olarak inşa edilen ve o dönemde ‘Büyük Kilise’ ismiyle anılan bu yapının açılışı, 360 yılında II. Konstantin döneminde gerçekleşmiştir. 404 yılında başlayan isyanda çıkan bir yangın neticesinde büyük ölçüde harap olan bu yapıdan günümüze ulaşan bir kalıntı bulunmamaktadır.
İkinci Ayasofya, İmparator II. Theodosius tarafından birincisinin üzerine inşa ettirilmiş ve 415 yılında ibadete açılmıştır. Yine bazilika şeklinde ve ahşap çatılı olarak inşa edilen bu yapı ise, 532 yılında İmparator Jüstinyen aleyhinde çıkan Nika Ayaklanması’nda isyancılar tarafından yakılıp yıkılmıştır.İmparator Jüstinyen isyanın hemen ardından ilk ikisinden çok daha büyük ve görkemli bir Ayasofya yaptırmaya karar vermiştir. Üçüncü Ayasofya Bizans İmparatoru I. Jüstinyen tarafından 532-537 yıllarında inşa ettirilmiştir.

Doğu Roma’nın İmparatorluk Kilisesi olarak kullanılan Ayasofya, tarih boyunca isyanlar, savaşlar ve doğal afetler yüzünden sık sık tahrip olmuştur. Ayasofya en büyük yıkımlardan birini 1204’te 4. Haçlı Seferi’nde şehrin istila edilmesiyle yaşamıştır. Haçlılar tüm şehirle birlikte Ayasofya’yı da yağmalamıştır. İstanbul’da 1204 yılından 1261 yılına kadar süren Latin işgali müddetince Ayasofya, Roma Katolik Kilisesi’ne bağlı bir katedrale dönüştürülmüştür.Ciddi hasarlar almış olan Ayasofya, İstanbul’da tekrar Doğu Roma idaresinin sağlanmasının ardından tamirlerle ayakta tutulmaya çalışılmıştır. Bununla birlikte, yapılan tamiratlar yetersiz kalmış ve 1346 yılında Ayasofya’nın doğudaki başkemeri ve kubbenin bir kısmı çökmüştür.

Esasında, Latin istilasından İstanbul’un fethine kadar geçen dönemde Ayasofya en karanlık çağını yaşamıştır. İki defa yıkılıp üçüncü kez inşa edilen, yüzyıllar boyunca savaşlar ve isyanlar nedeniyle tahrip edilen, bakımsızlık ve mimari hatalar yüzünden belirli kısımları çöken Ayasofya, İstanbul’un Fatih Sultan Mehmed Han tarafından fethine kadar sürekli yıkılma tehlikesi altında varlığını sürdürmüştür. Ayrıca, Katolik-Ortodoks mezhep kavgası yüzünden mabedin sosyolojik ve sembolik anlamı da büyük zarar görmüştür.
Osmanlılar fethin nişanesi olarak kabul ettikleri ve kıymet verdikleri Ayasofya Camii’ne Fatih Sultan Mehmed Han’dan itibaren büyük özen göstermiş, bakım-onarım faaliyetlerini sürekli hale getirmiş ve camiyi eskisinden çok daha sağlam bir yapıya kavuşturmuştur. Bilhassa Mimar Sinan’ın Ayasofya’ya yaptığı eklemeler ve düzenlemeler, bu insanlık mirasının bugün hâlâ ayakta kalmasında çok büyük rol oynamıştır.

Ayasofya Camii’ni kendi hayratı olarak vakfeden ve çok sayıda akar bağlayarak bakım-onarım maliyetlerini garanti altına alan Fatih Sultan Mehmed Han, önce caminin yanına bir de medrese inşa ettirerek eğitim faaliyetlerini başlatmıştır. Ayasofya’nın ilk minaresi de Fatih Sultan Mehmed Han döneminde ahşaptan inşa edilmiştir. Uzun yıllar varlığını sürdüren bu minare 1574 yılındaki büyük tamiratta kaldırılmıştır. Ayasofya Camii’nin ikinci minaresi ise, Sultan II. Bayezid Han döneminde tuğladan inşa edilmiştir.