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圣索菲亚大教堂在希腊语里的意思是上帝智慧。其拉丁语名称则为Sancta Sophia，希腊语全名是“Ναός τῆς Ἁγίας τοῦ Θεοῦ Σοφίας”，解作“上帝圣智教堂”，教堂供奉在正教基督教神学里的耶稣。大教堂称为“圣索菲亚”（Ἁγία Σοφία），是特别献给天主圣智的那一位，即圣三中的圣言。这种对耶稣的称呼可能源自保禄从（保罗）对基督的描绘，格前1:24 “基督却是天主的德能和天主的圣智(Σοφία)”。
在该教堂伫立的地点曾经存在过两座被暴乱摧毁的教堂，公元532年拜占庭皇帝查士丁尼一世下令建造第三所教堂。在拜占庭雄厚的国力支持之下，由物理学家米利都的伊西多尔及数学家特拉勒斯的安提莫斯设计的这所教堂在公元537年便完成了其建造。刚竣工时的圣索菲亚大教堂是正教会牧首巴西利卡形制的大教堂，在1519年被塞维利亚主教座堂取代之前圣索菲亚大教堂一直是世界上最大的教堂。
由君士坦丁大帝为供奉智慧之神索非亚，始建于公元325年，后受损于战乱，公元537年查士丁尼皇帝为标榜自己的文治武功进行重建，它作为基督教的宫廷教堂，持续了9个世纪。
公元7世纪之后，阿拉伯半岛上出现新兴势力伊斯兰文明，接着十字军东征来到君士坦丁堡，但此时统治者已无力阻止联军与战争对城市的蹂躏。接着是土耳其人登场，东罗马帝国正式宣告结束。公元1453年，奥斯曼土耳其将君士坦丁堡改名为伊斯坦布尔，并将索菲亚大教堂改成阿雅索菲亚清真寺。
公元1453年6月，奥斯曼土耳其苏丹穆罕默德二世攻入了君士坦丁堡，他下令将教堂内所有拜占庭的壁画全部用灰浆遮盖住，所有基督教雕像也被搬出，并将大教堂改为清真寺，还在周围修建了4个高大的尖塔。
553年8月及557年12月的地震使主圆顶及东面的半圆顶破裂，558年5月7日发生的地震使主圆顶彻底倒塌，破坏了读经台、祭坛及其华盖。皇帝马上下令修复，让米利都的伊西多尔的侄甥伊西多拉负责修复工作。他使用了较轻巧的物料，又将圆顶提高了6.25米（20.5英尺），使教堂的内部高度达到现时的55.6米（182英尺）。修复工程在562年完成，使教堂在6世纪的面貌得以保存至今。拜占庭诗人示默者保罗（Paul the Silentiary）为教堂的重建创作了一首名为《读画诗》的长诗。562年12月23日，牧首优迪基乌（Eutychius）主持落成仪式。
圣索菲亚大教堂是君士坦丁堡牧首的座堂，并且是拜占庭帝王仪式的首要场地，如加冕典礼。大教堂为作恶者提供庇护，外国游客对此深受感动。
726年，拜占庭皇帝利奥三世颁布一系列的诏令抵制偶像崇拜，命令军队摧毁一切圣像，迎来了毁坏圣像运动。圣索菲亚大教堂内的所有宗教画像及雕像被移除。在伊琳娜女皇执政时期（797年－802年），圣像崇拜得到短暂的恢复，此后偶像破坏者卷土重来。拜占庭皇帝狄奥斐洛（Theophilus）深受伊斯兰艺术影响，而伊斯兰艺术是禁止偶像崇拜的。他将刻有画押字的青铜两翼门安装在大教堂的南面入口。859年的大火对大教堂造成破坏，而869年1月8日的地震使一个半圆顶倒塌，巴西尔一世下令复修。989年10月25日发生强烈地震，破坏了大教堂的大圆顶，巴西尔二世委托阿美尼亚建筑师、阿尼及阿吉涅大教堂的创造者梯利达特（Trdat）修复圆顶，西面的圆拱及部份大圆顶是他主要的修复部分。大教堂的损毁程度使修复工作持续了六年，大教堂在994年5月13日重开
。
君士坦丁七世在他的《典仪论》（De Ceremoniis）里记载了帝王及牧首在圣索菲亚大教堂举行典礼仪式的详情。在第四次十字军东征期间，大教堂被拉丁基督徒洗劫及亵渎。据史学家尼基塔斯·蔡尼亚提斯（Niketas Choniates）所述，大教堂的一些圣物如耶稣墓碑的一块石头、圣母玛利亚之奶、耶稣裹尸布及多位圣人的骨头都被转送到西方，现今可在西方多个博物馆内参观这些圣物。在拉丁帝国的占领下，圣索菲亚大教堂成为了罗马天主教会的主教座堂。鲍德温一世于1204年5月16日在圣索菲亚大教堂依照拜占庭传统加冕为王。在1204年发动拉丁十字军的威尼斯公爵恩里科·丹多洛被葬在教堂内，碑文显示了他的名字，成为了地面装饰。1261年，重夺君士坦丁堡的拜占庭人向碑文啐唾泄愤。不过，1847年至1849年的复修工程却令公爵坟墓的真确性遭到质疑，该坟墓更像是一个象征式墓地以作纪念。
拜占庭人重夺君士坦丁堡后，大教堂已显得相当破败，西面的四道扶壁大概就是在这时加建。1317年，安德洛尼卡二世在教堂东部及北部加建四道扶壁。1344年10月的地震使教堂的圆顶崩裂，部分建筑在1346年5月19日倒塌，教堂在此后关闭。1354年，建筑师阿斯特拉及佩拉尔塔负责教堂的修缮工作。