Тя е построена още през 360 г. като катедрален храм на Константинополската патриаршия. Впоследствие черквата е разрушавана на 2 пъти при обществени безредици. Съвременната сграда е построена през 532-537 г. при император Юстиниан I по проект на Исидор от Милет и Антимий от Трал.
Впечатляващо инженерно постижение за времето си, „Света София“ в продължение на хилядолетие, до построяването на Севилската катедрала през 1520 г., е най-голямата черква в света. Смятана за най-яркия образец на византийската архитектура, тя оказва значително влияние и върху монументалната архитектура през Османската епоха.
След падането на Константинопол под османска власт през 1453 г. „Света София“ е превърната в джамия. След разпадането на Османската империя правителството на Турция секуларизира сградата през 1934 г. и от следващата година тя функционира като музей.
„Св. София“ е най-ранният типичен пример за византийска архитектура и се счита от много хора за архитектурно чудо. Тя не е стриктна базилика, като централният ѝ кораб, дълъг над 100 м, е доминиран от огромен купол с диаметър 31 м и височина 56 м, който е поддържан от 4 пандантива. В дължина тежестта на купола се разпределя чрез поредица от полусводове, докато в ширина куполът се носи от 4 много масивни контрафорса, които обаче не се забелязват от вътрешността на църквата. Тази конструкция, както и фактът, че в основата на купола има 40 прозореца, допринасят за впечатлението у посетителите, че сякаш „златният купол виси от небесата“.
„Св. София“ оказва сериозно влияние в развитието на архитектурата. Това важи особено за православните храмове до ден днешен (например храм „Свети Сава” в Белград). Много от джамиите в Истанбул и в цялата Османска империя, построени от Синан и негови ученици, следват основния план на „Св. София“: Султан Ахмед джамия (Синята джамия), Сюлейман джамия, Селим джамия в Одрин и др.