İsyanı zorlukla bastıran İmparator Justinyen “Adem’den beri hiçbir devirde görülmemiş ve görülmeyecek” bir ibadethane yapmak için harekete geçti. Önceki bazilikanın kalıntılarının üzerine 532 yılında yapılmaya başlanan, Hıristiyanlık âleminin bu en büyük kilisesi beş yılda tamamlanarak, 537’de merasimlerle açıldı. İmparator hiçbir masraftan kaçınmayarak devlet hazinesini mimarların önüne saçtı. (Tralles’li Anthemius ile matematikçi, Miletoslu İsidorus) Kubbe inşaatı Roma mimarisi tarafından geliştirilmiştir, Bazilika planı da eski devirlerden beri tatbik edilmekte idi. Yuvarlak yapıların üzerleri çok büyük ölçüde kubbe ile örtülebilmişti. Ancak Justinyen Ayasofya’sındaki gibi dikdörtgen bir mekan ortasında, dev ölçüde bir merkezi kubbe yapımı, mimarlık tarihinde ilk kez deneniyordu. Rahiplerin koruyucu duaları okumaları devam ederken, İmparatorluğun hemen her yerinde mevcut olan erken devir kalıntılarından getirtilen çok sayıda ve değişik mermer parçaları, sütunlar yapıda kullanıldı. Sonraları da bu devşirme malzeme ve bilhassa sütunlar için, neye yarayacağı anlaşılmaz, bir sürü orijin hikayesi uyduruldu. Justinyen devrinde Ayasofya bir zevk ve gösteriş ürünü olarak ortaya çıkmıştı. Sonraki devirlerde ise bir efsane ve sembol olarak kabul edilmiştir. Bin yıl süre ile aşılamayan ölçüleri yanında finans zorlukları ve teknik yetersizliklerden ötürü efsanevi görülmüş, böyle bir yapının ancak kutsal kuvvetlerin yardımı ile yapılabileceği zannedile gelmişti. Ayasofya bir 6yy. Bizans devri eseri olmakla beraber, ön misali olmayan, sonraki devirlerde de taklit edilmeyen Roma mimari geleneğine bağlı bir “Deneme” dir. Dış ve iç görünüşteki tezat ve iri kubbe Roma’nın mirasıdır. Dış görünüş zarif değildir, proporsiyonlara dikkat edilmemiş, bir kabuk gibi yapılmıştır. Bunun tersine iç görünüm saray gibi görkemlidir, göz alıcıdır; yapı, dev bir “İmparatorluk” eseridir. Açılış merasiminde heyecanına hakim olamayan İmparator atların çektiği arabası ile içeriye dalmış, Tanrıya şükür ederek, Süleyman Peygambere üstün çıktığını haykırmıştı. Bazilika etrafını çevreleyen yüksek binaları ile büyük bir dini merkez olarak gelişmişti. Bizans İmparatorları ile Doğu Hıristiyan kilisesinin yüzyıllar sürecek çekişmeleri için sahne artık hazırdı. Eşsiz ve üstünlüğüne rağmen yapının hayati önemde hataları vardı. En önemli mesele kubbenin iriliği ve yan duvarlara yaptığı basınç idi. Böylesine bir kubbenin ağırlığının temellere aktarılması için lazım olan mimari unsurlar o devirde henüz tam gelişmemişti. Yanlardan dışa doğru eğilen duvarlar orijinal, basık kubbenin 558 yılında yıkılmasına şahit oldular. Yapılan ikinci kubbe daha yüksek ve daha küçük çaplı tutulmuştu. Bu kubbenin de yarıya yakın kısmı 10 ve 14 yy'’arda 2 defa daha çökmüştür.

Ayasofya her devirde hazineler dolusu sarflar yapılarak ayakta tutulabilmiştir. Türk’lerin şehri 1453 yılında fethetmeleri, harap durumdaki Ayasofya’nın derhal camiye çevrilerek kurtarılmasına sebep olmuştur. Türk mimarı Koca Sinan’ın 16.yy.da eklediği payanda duvarları, 19. yy. ortasında Mimar Fossati kardeşlerin ve 1930’dan itibaren yapılan diğer restorasyonlar ve kubbenin demir kuşak ile çevrilmesi önemli tamirlerdi. 2000 li yılların restorasyonları, mevcut madeni portatif iskele ile daha seri yapılabilecektir. Ayasofya 916 yıl baş kilise ve 477 yıl cami olarak, aynı tanrıya inanan 2 değişik dinin hizmetinde olduktan sonra Atatürk’ün emri ile müze yapılmıştır. 1930-1935 yılları arasında ortaya çıkartılıp temizlenen bir kısım mozaikler Bizans'ın önemli sanat eserleri arasında yer alırlar. Bizans ve Osmanlı döneminin izlerini taşıyan muhteşem mimarisi ile ülkemizin en çok ziyaret edilen ilk üç müzesinden biridir.

Avlunun içerisindeki müze girişi, asırlar sonra yeniden kullanılmaya başlanan, batı yönündeki orijinal kapıdır. Girişin yanında önceki, ikinci binanın kalıntıları görülür. Vaftiz olamayanların girebildikleri dış koridor 5 kapı ile iç koridora, burası da 9 kapı ile kilisenin esas kısmına açılır. Ortadaki yüksek kapı İmparatorluk kapısı idi. Bunun üzerindeki mozaik pano 9. yy. sonunda yapılmıştır. Ortada taht üzerinde oturan pantokrator İsa’dan bir imparator şefaat istemektedir.

Yanlardaki madalyonlarda Meryem Ana ve Baş Melek Gabriel’in portreleri vardır. İç koridor ve yan neflerin tavanındaki diğer figürsüz mozaikler Justinyen devri orijinalleridir. Yapının ana kısmında ziyaretçiyi görkemli ve muazzam bir mekân karşılar. İlk adımdan itibaren kubbenin tesiri derhal hissedilir. Sanki havaya asılı gibi durmakta ve bütün binayı kaplamaktadır. Duvarlar ve tavanlar mermer ve mozaiklerle kaplı, rengarenk bir görünüştedir. Kubbe mozaiklerinin 3 değişik renk tonu, yapılan 3 değişik tamirat devrini gösterir. Yüksekliği ve çapı ile dünyanın en büyük kubbesi iken günümüzde de sayılı büyük kubbelerindedir. Yapılan tamiratlardan dolayı kubbe tam bir çember değildir. Kuzey – Güney çapı 31,87 m.dir. Doğu – Batı çapı 30,87 m. olup yüksekliği 55,60 m.dir. Kubbenin dayandığı 4 pandantifte, 4 kanatlı melek figürü, yüzleri kapatılmış olarak yer alır.

Dikdörtgen, geniş orta mekanın sütunlarla ayrılmış 2 yanında, karanlık neftler uzanır. Orta mekan 74.67 x 69.80 m.dir. Alt katta ve galerilerde toplam 107 sütun vardır. Ayasofya sütun başlıkları tüm yapının en karakteristik ve belirgin, klasik, 6. yy. Bizans süsleme örnekleridir. O çağa ait bir özellik olan derin oyulmuş mermerler güzel bir ışık, gölge oyunu ortaya serer. Ortalarında İmparator monogamları bulunur. Köşelerde yer alan antik porfir sütunlar, yeşil Selanik mermerinden yapılma orta sütunlar ve tümünün beyaz mermerden yapılma, zengin işlemelerle süslü başlıkları insanı eski günlere götürür. Ayasofya’yı boş bir müze görünümünden sıyırıp bazilika veya cami olarak kullanıldığı, gösterişli, mistik, değişik, eski orijinal görünümünde hayal etmek lazımdır. Büyük bir İmparatorluğun baş kilisesi olduğu devirlerde apsis önünde yer alan bölme, altar, ambon ve diğer merasim gereçleri altın ve gümüş levhalarla kaplı, fildişi ve mücevherlerle süslü idiler. Bazı kapılar bile böylesine kıymetli madenlerle kaplı idi. Latin istilası bütün bunları ve diğer bazı mimari parçaları sökerek Avrupa’ya taşımıştı.Apsis yarı kubbesinde kucağında çocuk İsa ile Meryem Ana, sağ yanda da Baş Melek mozaikleri bulunmaktadır. Karşı duvardaki bir başka melek figürü tahrip olmuştur.

Galeriler seviyesinde duvarlara asılı, deri üzerine yapılmış 7.5 m. çapındaki büyük diskler ve kubbedeki yazıt, eserin cami olarak kullanıldığını hatırlatırlar. 19. yy. ortalarında dönemin büyük ustaları tarafından yazılan bu kaligrafiler birer şaheserdir. Yuvarlak tablolarda Allah, Hz. Muhammed, 4 Halife ve Hasan-Hüseyin isimleri yazılıdır. Döneminin güzel örnekleri mihrap üstü vitraylar, apsis içine yerleştirilmiş cami mihrabı, yanındaki minber ve mevlithanlar balkonu Türk dönemi ekleridir. Zeminde yer alan, renkli mermer parçalarından yapılmış kare kısım, belki 12. yy.da ilave edilmiş, İmparatorların taç giydiği mahaldir.

Üstün kaliteli mermerden yapılmış iki küresel iri kap orta mekânın giriş yanlarında yer alır. Antik orijinli bu kaplar geç 16. yy’da Bergama’dan getirtilmiştir. Binanın kuzey köşesinde “terleyen sütun” bulunur. Alt kısmı bronz bir kuşak ile çevrilmiş, parmak sokulabilen bir dilek deliği olan sütun hakkında bolca masal ve efsane vardır. Binayı dışardan destekleyen payandaların kuzeydeki ilkinin içerisi rampadır. Üst galerilere bu rampa ile çıkılır. Binayı üç yönden kuşatan galerilerden muhteşem iç mekan bambaşka görülür. İmparatorluk kadınları ve kilise toplantıları için ayrılmış kısımları vardır. Kuzey kanatta bir, güney kanatta da 3’lü figürler halinde 3 mozaik pano bulunur. Güney galeride, yanındaki pencereden giren gün ışığı altında, Bizans mozaik sanatının şaheser panosu yer alır. Buradaki konu, çok geniş son mahkeme sahnesinin tam ortasında bulunan; “Diesis” diye bilinen, üçlü figürdür. Ortada İsa onun sağında Meryem, solunda ise Hz. Yahya yer alır. Değişik dizili arka fon mozaikleri, figürlerin güzelliğini daha da artırır, yüz ifadeleri fevkâlede realisttir.

Güney galeri dibindeki 12. yy. mozaik panoda, Meryem Ana ve çocuk İsa, İmparator II. Komnenus, İmparatoriçe İrene, yan duvarında hasta Prens Aleksios yer alır. Takdim edilen rulo kiliseye bağışları, deri kese ise altın yardımını belirtmektedir. Macar asıllı imparatoriçenin ırk özellikleri; açık ten ve açık saç rengi belirgindir. Buradaki ikinci pano, tahta oturmuş İsa, yanında İmparatoriçe Zoe ve üçüncü kocası Konstantin Monomakhos'dur, Konstantin’nin kafası ve üstündeki yazıt kazınıp, tekrar yapılmıştır. Orijinal mozaik Zoe’nin ilk kocasına aitti. Bu panoda İmparatorluk ailesinin kiliseye şükran ve bağışları sembolize edilmektedir.İç koridordan müzeyi terk ederken görülen büyük bir mozaik pano 10. yy’dan kalmadır. Bozuk perspektifli figürler: Ortada Meryem Ana ve çocuk İsa, yanlarda ise şehir maketini sunan Büyük Konstantin ile Ayasofya maketini sunan Justinyen'dir. Çıkışta kısmen zemine gömülü M.Ö. 2. yy’dan kalma muazzam bronz kapılar Tarsustan, belki de bir pagan mabetinden getirtilerek, burada tekrar kullanılmıştır.
Müze bahçesinde değişik devirlerde inşa edilmiş Türk Sanat eserleri bulunur. Bunlar bazı sultanların türbeleri, okul, saat ayar evi ve şadırvandır. Doğu cephesi minareleri 15, batıdakiler de 16. yy’da eklenmişlerdir.