404 durch einen Brand zerstört und von Theodosius II. wieder aufgebaut wird sie 532 kurz nach Beginn der Herrschaft von Justinian I. erneut ein Brandopfer. Bereits wenige Wochen dem Brand der durch einen Aufstand gegen entfacht worden war beginnt der Aufbau einer mächtigeren Kirche deren Form Justinian im Traum worden sein soll. Er fordert eine Kirche bauen "die seit Adam nicht existierte und nicht mehr existieren würde". Zehntausende Arbeiter standen Befehl des Architekten Anthemius von Trelles und Mathematikers Isidorus von Milet. Schon fünf Jahre 537 wird sie eingeweiht. Der Kaiser konnte Überlieferung nach bei der Einweihung nicht Herr seine Erregung werden. Er fuhr mit seinem Pferde gezogenen Triumphwagen hinein dankte Gott und laut daß er König Salomo den Erbauer des jüdischen Tempels übertroffen habe.
Als am 29. Mai 1453 die Osmanen unter Sultan Mehmed II. Fatih (der Eroberer) die Stadt einnahmen soll bereits am Nachmittag des Tages den ersten Gottesdienst abgehalten haben. In den folgenden Jahren die Kirche zur Moschee umgebaut wobei dies unter dem Aspekt möglichst wenig zu zerstören. Christliche Insignien wurden moslemische ersetzt die Mosaiken innerhalb der Kirche übermalt Kreuze gegen den Halbmond ausgetauscht. Das äußerliche der Kirche wurde dadurch verändert dass man das Gebäude herum vier islamische Minarette errichtete.
1932 wird die Moschee auf Anregung Atatürks des ersten Präsidenten der jungen Republik Türkei in das heute bestehende Museum umgewandelt und die typisch byzantinischen Mosaiken freigelegt. Um den Protest von Muslimen zu wurden einge Zeit später große arabisch beschriftete mit dem Namen Muhammads und der ersten vier Kalifen im Gebäude angebracht.