阿亚索菲亚清真寺是位于现今土耳其伊斯坦布尔的宗教建筑，阿亚索菲亚（希腊语：Ἁγία Σοφία ；土耳其语：Ayasofya）旧称圣索菲亚大教堂（拉丁语：），有近一千五百年的漫长历史，因其巨大的圆顶而闻名于世，是一幢“改变了建筑史”的拜占庭式建筑典范。
索菲亚在希腊语里的意思是神圣智慧。其拉丁语名称则为Sancta Sophia或Sancta Sapientia，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，即为耶稣基督。这种对耶稣的称呼可能源自使徒保罗在《哥林多前书》第1章第24节参中对基督的描绘：“但在那蒙召的，无论是犹太人、希腊人，基督总为神的能力，神的智慧（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。圣索菲亚大教堂由360年落成直至1453年期间都是君士坦丁堡的大教堂。
奥斯曼土耳其人在1453年征服君士坦丁堡，苏丹穆罕默德二世下令将大教堂转变为清真寺，还将钟铃、祭坛、圣幛、祭典用的器皿移去，用灰泥覆盖基督教镶嵌画。日后又逐渐加上了一些伊斯兰建筑，如米哈拉布、敏拜尔及外面的四座叫拜楼。
随着土耳其共和国的建立，1934年该教堂失去了其宗教意义，1935年2月1日，这座见证了数个帝国兴盛衰亡的建筑以博物馆的身份重新对世人开放。直到2020年7月2日，时任总统雷杰普·塔伊普·埃尔多安撤销国父凯末尔在1934年签署改为博物馆的政令，恢复其宗教场所的角色。
大教堂藏有大量圣物，当中以一个15米（49英尺）高的银圣幛最具特色，圣索菲亚大教堂是君士坦丁堡牧首的圣座，在将近千年的时间里都是正教会的焦点。1054年，枢机宏伯特到圣索菲亚大教堂的祭坛将牧首米恰尔一世·色路拉里乌逐出教会，该事件被视为东西教会分裂的开端。
作为接近500年来伊斯坦布尔最重要的清真寺，圣索菲亚大教堂是众多奥斯曼帝国时期清真寺如苏丹艾哈迈德清真寺（蓝色清真寺）、塞札特清真寺、苏莱曼尼耶清真寺、鲁斯坦帕夏清真寺、奇力克阿里帕夏清真寺的模范。
第一代教堂被称为“大教堂”（希腊语：Μεγάλη Ἐκκλησία (Megálē Ekklēsíā)；拉丁语：Magna Ecclesia），在360年2月15日君士坦提乌斯二世在位时启用，大教堂建在正在兴建中的帝国皇宫旁。附近的伊莲娜教堂在较早时已建成并作为主教座堂，直至圣索菲亚大教堂建成。这两所教堂同为拜占庭帝国最重要的教堂。
索克拉蒂斯（380年－440年）记述了第一代教堂，认为它是君士坦丁一世所建。它被建为拉丁柱廊式的大教堂，附有长廊及木制屋顶，还有一个天井。它在当时被誉为世上最出色的历史建筑物之一。
君士坦丁堡牧首约翰一世与皇帝阿卡狄奥斯的妻子、皇后阿丽亚·尤多希亚（Aelia Eudoxia）发生冲突，因而在404年6月20日被流放，因此而起的连串暴乱使第一教堂毁于一旦，关于第一所教堂的一切在当今已彻底消失。
狄奥多西二世下令兴建第二代教堂，于415年10月10日落成，这个木制屋顶的教堂是由建筑师鲁弗留斯所建。532年1月，尼卡暴动引起的一场大火将第二代圣索菲亚大教堂烧成渣滓。
第二代教堂的数块大理石残骸幸存至今，这些石块上的浮雕展示了十二羔羊、十二使徒等图像。这些石块原来是正门的一部分，现在展示在教堂的庭园内。这些石块是在1935年由A. M.施奈德对西庭的一次挖掘当中被发现，由于担心损害现时的圣索菲亚大教堂建筑，发掘工作再也没有开展。
532年2月23日，在第二代教堂被摧毁后的仅仅数天，皇帝查士丁尼一世决定兴建第三代截然不同的大教堂，第三代教堂较前两所更为宏大雄伟。
查士丁尼一世选用物理学家米利都的伊西多尔和数学家特拉勒斯的安提莫斯为建筑师，但安提莫斯在不足一年内逝世。拜占庭史学家普罗科匹厄斯在《建筑》一书里描述了建造圣索菲亚大教堂的状况。皇帝将帝国各地的物料运送到君士坦丁堡，如以弗所阿耳忒弥斯神庙的古希腊圆柱。大石都是来自远处的采石场，包括埃及的斑岩、色萨利的绿色大理石、博斯普鲁斯海峡地区的黑石及叙利亚的黄石。超过一万人参与建造工作，这所新教堂马上就被认为是重要的建筑，展示了建筑师的创造力。建筑师们采用了希罗的理论，在广大的空间之上建造巨大的圆顶。皇帝与牧首梅纳斯在537年12月27日一起参与了盛大的落成仪式。教堂内的镶嵌画则在查斯丁二世在位时（565年－578年）才完成。
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，巴西尔二世委托亚美尼亚建筑师、阿尼及阿吉涅大教堂的创造者梯利达特（Trdat）修复圆顶，西面的圆拱及部分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。
奥斯曼土耳其人在1453年征服君士坦丁堡，圣索菲亚大教堂随即被转换成阿亚索菲亚清真寺。当时教堂已相当残破，多道门窗剥落。多个西方访客都描述了当时教堂的状况，包括科尔多瓦贵族佩德罗·塔富尔（Pedro Tafur）及佛罗伦斯的克里斯托福罗·布隆戴蒙提（Cristoforo Buondelmonti）。穆罕默德二世下令清理及将教堂转换为清真寺。继任苏丹巴耶济德二世建造了一座新的叫拜楼替代他的父亲所建的叫拜楼。
在十六世纪，苏莱曼一世在征战匈牙利后带来了两根巨大的蜡烛，放置在清真寺米哈拉布的两侧。在塞利姆二世统治时期，清真寺已显得老旧，被认为是世上首个地震工程师之一的科查·米马尔·希南在清真寺外面加筑支撑结构。除了强化历史悠久的拜占庭建筑结构外，希南又在西端加建两座大型叫拜楼、苏丹专用的前座，又于1577年在东南方建造塞利姆二世的陵墓。1600年代，穆拉德三世及穆罕默德三世的陵墓建在塞利姆二世陵墓旁。
后来，清真寺再加设苏丹楼座、一个以大理石装潢的敏拜尔、一个布道用的讲台及一个供穆安津使用的凉廊。
穆拉德三世从帕加马运来了两个古希腊汉白玉大瓮，放置在清真寺正殿两侧。
1739年，苏丹马哈茂德一世下令复修清真寺，并加建一所伊斯兰学校、一所公共厨房及一所图书馆，又在1740年加建洗礼用的喷泉，将清真寺建筑转变为库里耶（建筑群）。与此同时，清真寺内再加设一个苏丹楼座及一个米哈拉布。
在1847年至1849年间，苏丹阿卜杜勒-迈吉德一世对清真寺开展了最为著名的一次复修，在瑞士及意大利籍建筑师兄弟加斯帕雷及朱塞佩·福萨蒂的监管下动用八百名工人。他们巩固了圆顶和拱顶、摆正圆柱及改变建筑内外的装潢。上层楼座的镶嵌画都被擦掉，古旧的吊灯被撤换。巨大的圆框雕饰被加挂在圆柱上，刻有阿拉、先知穆罕默德、四大哈里发（阿布·伯克尔、欧麦尔、奥斯曼、阿里）及穆罕默德两位孙儿（哈桑、海珊）的名字。1850年，福萨蒂加建一个拜占庭复兴建筑风格的长廊，连接清真寺后方的皇室楼阁。一座记时员建筑及一所伊斯兰学校建在清真寺外，叫拜楼也被修正为同一高度。复修完成后，清真寺在1849年7月13日举行盛大庆典并重开。
1935年，第一任土耳其总统及土耳其国父穆斯塔法·凯末尔·阿塔图尔克将圣索菲亚大教堂变为博物馆。地毯被移走，覆盖在镶嵌画上的石膏由专家煞费苦心地擦去，地面饰品得以展示。成为博物馆之后的圣索菲亚教堂被改名为阿亚索菲亚博物馆，实际上该博物馆的展品主要就是建筑物自身以及其中的镶嵌画艺术品。20世纪40年代中，由美国拜占庭研究会以及敦巴顿橡树园现场委员会（Dumbarton Oaks Field Committee）牵头的考古学家们开始了对圣索菲亚大教堂的修复工作。1985年，圣索菲亚大教堂所在的伊斯坦布尔文化区被联合国教科文组织选为世界文化遗产。但是博物馆的修复工作并不理想，1993年，一个联合国教科文组织的考察团在其报告中指出，博物馆日久失修，墙上的石膏正在脱落，有些破损的窗户没有及时被修复，大理石的清理进度也不理想，一些颜料已经被潮湿的空气侵蚀了。同年，博物馆在其穹顶之下搭建起了整修用的脚手架，这一“临时”建筑一直在博物馆内存在着，直到2010年拆除。1996年至1998年，阿雅索菲亚博物还被世界文化遗产基金会选为其百大濒危遗产。如今的阿雅索菲亚博物馆大约每年接待二百五十万外国游客，随着伊斯坦布尔当选为2010年的欧洲文化之都，对圣索菲亚大教堂的修复工作被重新提上议程。重达160吨的脚手架在同年被拆除。
2018年，伊斯兰协会曾要求在圣索菲亚大教堂举行伊斯兰宗教祭祀，但遭到土耳其宪法法院否绝。
2020年7月2日，在土耳其总统雷杰普·塔伊普·埃尔多安的政治运作下，土耳其最高行政法院宣布撤销1934年土耳其国父凯末尔部长会议的圣索菲亚改为博物馆的政令。7月10日，在联合国教科文组织、欧盟、美国、俄罗斯都反对的情况下，埃尔多安总统正式宣布圣索菲亚恢复为清真寺，并于7月24日在圣索菲亚大教堂举办第一场大型伊斯兰教首次祈祷。这项宣布引起广泛批评，艺术史学家认为，一旦圣索菲亚大教堂成为一座正在运转的清真寺后，他们将会失去进行研究的机会，而旅游业和城市当局也担心，圣索菲亚大教堂是土耳其访问量最大的旅游景点，去年有370万游客，这项宣布会让到访的游客受到阻挠。同时，土耳其国内外的基督徒也表示担忧，认为这项宣布是让土耳其从世俗国家变为回教国家，分化了穆斯林（伊斯兰教）和基督徒（基督宗教）之间的交流。
圣索菲亚大教堂是拜占庭式建筑最佳的现存范例，其镶嵌画、大理石柱子及装饰等内景布置极具艺术价值。大教堂的富丽堂皇及精美粉饰令查士丁尼也不禁声称：“所罗门！我已经超越了你！”（Νενίκηκά σε Σολομών）。查士丁尼监督著圣索菲亚大教堂的建造，直至塞维利亚主教座堂完成前，圣索菲亚大教堂保持着最大教堂的地位达一千年之久。
圣索菲亚大教堂是古代晚期建筑的一大成就，又是拜占庭式建筑的第一个杰作。它在建筑及礼仪方面的影响深远并普及至正教会、天主教会及穆斯林世界。这座教堂内一共使用了107根柱子，柱头大多采用华丽的科林斯柱式，柱身上还增加了金属环扣以防止开裂。大教堂最大的圆柱高19至20米，直径约1.5米，以花岗岩所制，重逾70吨。查士丁尼一世曾下令将巴勒贝克、黎巴嫩的八个科林斯柱式拆卸及运送到君士坦丁堡建造圣索菲亚大教堂。与主要使用大理石的希腊建筑以及主要使用混凝土的罗马建筑不同的是，圣索菲亚的主要建筑材料为砖块。
教堂内部的空间广阔，结构复杂。教堂正厅之上覆盖着一个最大直径达31.24米、高55.6米的中央圆顶，圆顶直径较万神庙的穹顶直径少了四分之一，但高度却多了四分之一。圆顶下连绵的拱廊使圆顶看似失重，其下方的40个拱形窗户引进光线，使室内呈现色彩。由于经历过为数不少的维修，圆顶已经不是绝对圆形的底座，圆顶略呈椭圆，其直径介乎31.24米至30.86米之间。
如何在立方体的建筑上放置圆形穹顶，一直是古代建筑学上的难题。圣索菲亚大教堂给出的解决之道是帆拱，四个三角凹面砖石结构将世界上最大的圆顶之一架设在了恢弘的大厅之上。圆顶的重量通过穹隅，由角落的四条巨型柱子支撑，圆顶看似就在这些柱子的四个大拱形之间浮起。在东西两端各有两个半圆穹顶分散重量，每个半圆穹顶又将其压力进一步分散至三个较小的半圆穹顶上。
室内地面铺上了多色大理石、绿白带紫的斑岩以及金色的镶嵌画，在砖块之上形成外壳。这些覆盖物掩饰了柱墩，同时使外观看起来更加明亮。
在教堂的东端和西端，拱形缺口由半圆顶伸展，形成了半圆座谈间。这种圆顶层次创造了在主圆顶下的广阔椭圆空间，这在近古时代是前所未有的。即使如此，圆顶的重量依然造成问题，因此在奥斯曼帝国时代，建筑师米马尔·希南在建筑的外部修建了扶壁用以加固。
在外面，简单的灰泥墙突显了拱顶及圆顶，而外墙的红黄之色是十九世纪复修时由建筑师福萨蒂加上的。
教堂西南方的叫拜楼以红砖建造，而其余三座叫拜楼则以白色的石灰石及沙石建造，当中东北方较为狭窄的一座是巴耶济德二世所兴建的，西方两座较大的叫拜楼是塞利姆二世所建的，与前述的扶壁一样由米马尔·希南设计。
在正式进入圣索菲亚大教堂之前，可以在西面的庭院内看见之前第二座教堂的残骸。进入大门之后首先看到的是宽为5.75米的外厅，外厅的装饰颇为简单。在外厅的东面即为内厅，它们之间有五扇包裹着青铜的橡木大门可供通行。两者的屋顶都以九道券拱相支撑，以大理石铺设地面。内厅的宽度为9.55米，同时也比外厅高出不少。通过内厅北侧的坡道，游客还可通往位于二层的回廊。内厅南侧的一道边门现在被用作博物馆的一个出口，当初却是宗教仪式时专供帝王使用的。
从内厅之中可以通过九扇门前往大厅，中央的三扇大门是帝王专用的帝国大门，大门之上的拜占庭马赛克描绘了基督和利奥六世。如果穿过帝国大门后径直往里走，便可看到圣索菲亚教堂的大厅。这个方形空间的大小为74.67米长，69.80米宽，大厅两侧则是用廊柱加以分割的侧厅，廊柱和廊柱之间以券拱相连，侧厅又被一层小廊柱再度划分。这些廊柱增添了大厅的层次感，又在空间上强调了侧厅和大厅之间的联系。抬头仰望还可看见伊斯兰统治时期所遗留下来的多块直径7.5米的金字圆牌，这些圆牌上分别刻写着真主、默罕默德、四位哈里发以及默罕默德两个孙子的名字。游客还可看见圣索菲亚大教堂著名的大圆顶。
圣索菲亚大教堂的圆顶因其建筑师对圆顶的创新想法而使艺术史学家、建筑师及工程师产生了兴趣。圆顶由帆拱支撑，这在此前是从未出现的。帆拱可令圆顶得以接驳在下面由柱子组成的方面。帆拱不仅可以达到令人满意的美学效果，又可稳定圆顶的侧面，使圆顶的重量得以引向下方。
虽然这种设计有助于稳定圆顶及其周边的墙壁和拱形结构，但是建造圣索菲亚大教堂的墙壁却弱化了整体建筑的结构。砌砖工人使用了更多的砂浆，而不是砖块，因而墙壁较为弱。如果工人能够在铺设另一层砖块之前先让砂浆凝固，结构会更为稳固。然而他们直接在建筑上面架上圆顶，由于下方的砂浆仍未干透，圆顶的重量使墙壁向外弯曲。这使得伊西多拉在重建圆顶之前必须先把内壁建好，垂直的墙壁方能支撑新圆顶的重量。圆顶的高度也在重建时作出了调整，伊西多拉把圆顶的高度提升了大约6米，使侧面的力量减弱，圆顶的重量可以更容易地卸到墙壁上。
圆顶的顶部还书写着一圈阿拉伯书法，整个圆顶共由40个肋组成。圆顶底部每两个肋之间都有一扇窗户，摆设这40个窗户的方式同样引人注目，这些彩色玻璃窗户所将光线引入大厅各处造成神秘光线的效果，使圆顶看起来悬浮在正厅之上，原本就足够雄伟 的圆顶因此显得更加有趣。这大概是由于圆顶的形状像扇贝壳或伞的内部，伞骨由伞的顶端延伸至底部。这些“伞骨”使圆顶的重量在各个窗户之间流向穹隅，最终抵达根部。这些独特的设计使圣索菲亚大教堂成为近古时代最先进的纪念建筑物。
在大门两侧的廊柱旁可看到两只大理石净洁瓮，在更靠左的位置还可看见一根名为冒汗柱的神奇廊柱，早在拜占庭时期，人们就对这根廊柱表面所聚集的潮湿水分惊奇不已。如今的人们则可通过触摸这根大理石柱上的凹槽去亲手感觉一下。
同哥特式教堂不同的是，圣索菲亚大教堂没有什么立体的雕刻装饰。当初在查士丁尼的统治下，圣索菲亚大教堂的墙身铺上了大理石厚板还将拱顶的马赛克作了简约的设计，在后堂的拱肩处还可见到天使长加百利及米迦勒的镶嵌画，示默者保罗赞颂过一些艺术布置。楼座的拱肩则以割切作法来装潢，以黑色的大理石为底，在其上嵌上珍贵的白色大理石切片，显示花卉及鸟类的图案。后来加上了人物镶嵌画，它们在圣像破坏运动时期被摧毁。现存的镶嵌画是后圣像破坏运动时期的。各种圣索菲亚大教堂的宝物、圣物、精品及画像逐渐成为了惊人的珍藏。此外，很多人物镶嵌画在九世纪后期被添加，包括中央圆顶的基督图像、鼓室下方的正教会圣人、先知及教会长老、与教堂相关的历史人物，如伊格内修斯以及楼座四福音书的一些图像。
大厅两侧是以廊柱相隔的侧厅，它们的宽度大约在18.5米上下。大厅右手边的南侧厅内有一间使用精美的青铜格栅分割开的小室，这就是马哈茂德一世所建造的图书馆阅览室。图书馆由藏书室、阅览室以及连接它们的走廊组成。从侧厅内透过青铜格栅便可看见阅览室内放置的桌椅，打开图书室的门就可以看见对面墙上马哈茂德一世的花押，图书馆墙壁的底部是大理石，上半部分则为伊兹尼克瓷砖。走廊虽然不大，但是墙壁上却装饰着精美花纹。藏书室则由四根柱子和一个平台分为两部分，它的中间是一只精美的书箱，回头望去，还可在通往走廊的门上看见马哈茂德一世的花押及一首描述图书馆竣工的小诗。
继续前进之后，即可来到后堂。后堂又被三座半圆小穹顶进一步分为三间凹室。在左手边后堂东北角的位置可以看到苏丹楼座，历史上圣索菲亚大教堂内曾先后建造过多个苏丹楼座，现在的这座建于1847年。它是专为苏丹举行一些不需向社会公开的宗教活动而设计的，同时它还可以保护苏丹免受行刺。其立柱是典型的拜占庭风格，而护栏上的雕花却是土耳其式的洛可可风格。
后堂南边与苏丹楼座相呼应的位置是木制的敏拜尔，这个台阶是供伊斯兰教的神职人员宣讲古兰经使用的。在敏拜尔偏西的地面上，可以看到一块以彩色大理石装饰的地面。这个地方被称为“世界的肚脐”，换句话说也就是世界中心，历任苏丹就是在这个地方被加冕的。
在大教堂的最东处即为米哈拉布所在的凹室，阳光透过土耳其风格的彩色窗户射入这片半圆形区域。其前面的底部贴着大理石薄片，上半部分有一圈墨绿底色的土耳其瓷砖，瓷砖上用金色的阿拉伯书法撰写着古兰经上摘抄下的语句。伊斯兰建筑师在后堂新建了一个祭台，米哈拉布被布置在祭台上正对着东方麦加的位置。位于米哈拉布之上的则为基督教的镶嵌画以及真主和默罕默德的金字圆牌，后凹室还有狭窄的走廊同两边侧厅连通。
多个世纪以来，圣索菲亚大教堂的镶嵌画布置相当华丽。这些壁画描绘了圣母玛利亚、耶稣、圣人、帝王及皇后，还有其他纯粹装饰性的几何镶嵌画。
1204年，君士坦丁堡遭到洗劫，拉丁十字军肆意破坏城内重要拜占庭建筑的贵重物品，包括圣索菲亚大教堂的黄金镶嵌画。组织入侵君士坦丁堡的恩里科·丹多洛把许多劫掠得来的物品运到威尼斯。
圣索菲亚大教堂在1453年变为清真寺，由于伊斯兰教禁止具象的影像，许多镶嵌画都被石膏覆盖。不过这些画并没有被一次性地全部被覆盖，一些十七世纪的纪录反映访客依然可在教堂内看到基督的图像。在1847年至1849年间，加斯帕雷和朱塞佩·福萨蒂负责修复圣索菲亚大教堂，苏丹阿卜杜勒-迈吉德一世让他们记录他在修复期间发现的镶嵌画。他们的修复工程不包括维修那些镶嵌画，在记录下这些图像后，福萨蒂兄弟再将它们覆盖，包括把教堂中央原先暴露的两个炽天使镶嵌画覆盖。现今可在教堂看到四个这些图像，其中两个被福萨蒂兄弟复原，以替代在当时已不存在的两个图像。福萨蒂兄弟以绘制的方式复原破损的镶嵌画，有时更将它们重新设计。福萨蒂兄弟留下的记录成为了在1894年地震被完成摧毁或部分损毁的镶嵌画图像的原始记录，这些镶嵌画包括位于圆顶的基督神像、今未能识别的“贫困之门”上的一个，一个以珠宝装饰外层的十字架图像及大量天使、圣人、牧首及教会长老的图像。缺失的图像大多位于教堂的两个鼓室里。
帝国大门马赛克位于帝国大门上的鼓室，帝国大门是帝王进出教堂专用的大门。根据分析显示，帝国大门马赛克是九世纪晚期至十世纪早期的作品。镶嵌画上显示的光环是代表利奥六世向基督圣像躬身，镶嵌画上的基督神像坐在饰有珠宝的宝座上祝颂，左手拿着一本打开的书籍。书上写道：“和平与你同在。我是世界的光。”在基督的两肩处各有一个圆雕：左方是握有权杖大天使加百利，右方是圣母玛利亚。这些镶嵌画表达了基督将永恒的力量赐予拜占庭皇帝。
西南大门马赛克位于西南大门的鼓室，来自944年，它在1849年福萨蒂负责复修工作时被发现。镶嵌画上的圣母坐在没有椅背的宝座上，双脚安放在以珍贵小石修饰的台座上，儿童时代的耶稣在她的膝上，他的左手拿着卷轴，给予祝福。站在圣母左方的是身穿礼服的君士坦丁一世，他把城市的模型送给圣母，在他身边的文字提到：“圣人及伟大的皇帝君士坦丁”。查士丁尼一世则站在圣母右方，把圣索菲亚大教堂的模型呈给圣母。圣母头项两侧的圆雕刻有花押字“MP”和“ΘY”，那是“Mētēr”及“Theou”的缩写，意指“上帝的母亲”。
后堂马赛克是后圣像破坏运动时期的首个镶嵌画，它是由牧首佛提乌斯一世（Photios I）、拜占庭皇帝米海尔三世及巴西尔一世于867年3月29日揭幕的。后堂马赛克位于后堂高处的半圆顶。镶嵌画上的圣母玛利亚坐在没有椅背的宝座上，儿童时期的耶稣在她的膝上，她的双脚安放在台座上。这幅镶嵌画被相信是复原自六世纪的一幅，该镶嵌画在圣像破坏运动时被毁坏。这镶嵌画被放置在原本是金色的底面上。位于后堂讲坛的大天使加百利和米迦勒肖像同样都是来自九世纪。
对于第一次来访的游客来说，皇帝亚历山大马赛克不是太容易能够找到，它位于第二层天花的暗黑角落处。镶嵌画描绘著皇帝亚历山大全身穿戴着特别服饰，右手持卷轴，左手执带球十字架（Globus cruciger）。1949年，美国拜占庭研究所（Byzantine Institute of America）的创办人托马斯·惠特莫尔（Thomas Whittemore）获得维护皇帝亚历山大马赛克的准许，它被认为在1894年的地震中被摧毁。在惠特莫尔逝世了八年后，研究员罗伯特·范尼斯（Robert Van Nice）在1958年发现了皇帝亚历山大马赛克的大部分。它不像其他圣索菲亚大教堂的镶嵌画那样被石膏覆盖，皇帝亚历山大马赛克只是被油漆简单地覆盖，与周边的镶嵌画图案没有两样，因此被隐藏得很好。惠特莫尔的继承人保罗·A·安德伍德（Paul A. Underwood）把它清理。
在南楼座东侧墙壁上的女皇佐伊马赛克出自11世纪。镶嵌画上的基督圣像身穿深蓝色长袍（拜占庭艺术的习惯），他坐在金色背景的中央位置，以右手祝颂的同时左手拿着圣经，在他头项的两侧分别写有“IC”及“XC”，意指“耶稣基督”（Iēsous Khristos）。身穿礼服的君士坦丁九世和佐伊女皇分别在耶稣的左右侧。君士坦丁九世呈上钱包，象征着他在教堂的奉献；佐伊女皇手持卷轴，象征着她作出的奉献。君士坦丁九世头上的文字写道：“君士坦丁，上帝基督虔诚的皇帝、罗马帝王、蒙那马裘斯”。佐伊女皇头上的文字写道：“佐伊，非常虔诚的奥斯古塔”。他们原来的头部已被刮去，现时那三个是后来替换上的。早期版本的镶嵌画可能显示佐伊女皇的丈夫罗曼努斯三世或她的养子米海尔四世。另有一说法认为这幅镶嵌画原本是描绘著更早期的皇帝及女皇，后来被换上这个版本。
科穆宁马赛克与女皇佐伊马赛克同样位于南楼座东侧墙壁，出自1122年。镶嵌画上的圣母玛利亚如同其他拜占庭艺一样身穿深蓝色长袍，她把儿童时的耶稣抱在膝上，耶稣以右手祝颂的同时左手执卷轴。约翰二世站在圣母右侧，身穿镶有贵石的服装，他呈上钱包，表示皇室对教堂的奉献。女皇伊林娜站在圣母左侧，她身穿礼服呈上卷宗。邻近的一条壁柱描绘着他们的长子亚历克修斯·科穆宁，他忧伤的脸容反映他在1122年死于结核。从这幅镶嵌画可以看得到它与女皇佐伊马赛克的分别。科穆宁马赛克上的人物面容更为逼真，不再使用理想化表述。镶嵌画上的伊林娜女皇有着一头编成辫子的金发，显示她的匈牙利血统，而约翰二世的面目威严。
三圣像马赛克可能出自1261年，它被用来表示结束了57年罗马天主教的统治，回归正教信仰。这是第三幅位于上层帝王楼座的镶嵌画。
北鼓室马赛克展示了多位圣人，该镶嵌画的位置相当高，无法触及，因而能够保存至今。镶嵌画描写身穿十字架白袍的约翰一世及伊格内修斯站立，手持镶有宝石的圣经，他们的名字以希腊文写在塑像的四周，让访客得以辨识。其他鼓室的镶嵌画未能保存不是由于奥斯曼征服者的故意破坏，而是因为频繁的地震。
1930年代，来自美国拜占庭研究所、托马斯·惠特莫尔率领的一支队伍发现了许多镶嵌画。他们决定把那些被石膏掩盖的简单十字架镶嵌画原封不动，而把其他主要的镶嵌画揭露。
作为一所历史悠久的教堂和清真寺，复原工作面临特殊的挑战。基督肖像镶嵌画虽然逐渐被揭露，但一些重要、历史著名的伊斯兰艺术可能因此而被摧毁。复原者尝试在保存基督教及伊斯兰文化之间取得平衡。教堂正厅圆顶上的伊斯兰书法是否应移除更引发了争议，因为在书法之下覆盖着基督镶嵌画（假设镶嵌画仍完好）。
土耳其总统穆斯塔法·凯末尔·阿塔图尔克下令把圣索菲亚大教堂变成博物馆，禁止把此处用作宗教礼拜场所。
不过在2006年，有报导指土耳其政府允许把圣索菲亚大教堂博物馆的一些小房间用作小型祈祷室，供博物馆职员开放给基督徒及穆斯林使用。
2007年，美国商人及政客克里斯·斯皮鲁（Chris Spirou）启动了一个名为“解放圣索菲亚大教堂会议”的运动，支持恢复圣索菲亚大教堂原本的用途。2007年6月20日，他在美国国会人权委员会核心小组上作证，在听证会完结时，核心小组主席及外交事务委员会的主席汤姆·兰托斯发言道：“人权委员会在25年来调查过的全球侵犯人权的个案里，当中最重要的是宗教自由，核心小组格外关注有关圣地被强迫转变用途的人权侵害，当中又以圣索菲亚大教堂最为重要。”克里斯·斯皮鲁又曾在俄罗斯媒体的访问里强调了这件事。
2020年7月，土耳其最高行政法院裁定将圣索菲亚大教堂改建为清真寺，引起包括UNESCO在内多个国家和国际组织的反对。7月10日，希腊总理基里亚科斯·米佐塔基斯发表书面声明中强烈地谴责土耳其将圣索菲亚大教堂改建为清真寺的决定。称这一决定冒犯了所有承认该圣索菲亚大教堂为世界遗产的人。并影响希腊、欧盟与土耳其之间的关系。土耳其总统雷杰普·塔伊普·埃尔多安则对此保证，圣索菲亚大教堂改建为清真寺后，也会允许非穆斯林入内参观。并表示土耳其有权决定将圣索菲亚大教堂用作任何用途，要求各方尊重土耳其的法律和行政部门作出的决定。
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