Ο πρώτος ναός της Αγίας Σοφίας θεμελιώθηκε από τον Μεγάλο Κωνσταντίνο το 330 μ.Χ. όταν ονόμασε τη μετέπειτα Κωνσταντινούπολη πρωτεύουσα της Βυζαντινής Αυτοκρατορίας. Η ανέγερση του ναού ολοκληρώθηκε από τον γιο του Κωνστάντιο και τα εγκαίνια πραγματοποιήθηκαν στις 15 Φεβρουαρίου του 360.

Κατά την εποχή του Αρκαδίου, το 404, η πρώτη Αγιά Σοφιά πυρπολείται και θα κτιστεί και πάλι από τον Θεοδόσιο Β’. Τα εγκαίνια θα λάβουν χώρα στις 10 Οκτωβρίου του 415, ωστόσο ο ναός θα πυρποληθεί και πάλι το 532, κατά τη Στάση του Νίκα. Έτσι, ο αυτοκράτορας Ιουστινιανός Α’ αποφασίζει να κατασκευάσει την εκκλησία από την αρχή, στον ίδιο χώρο, αλλά πολύ πιο επιβλητική, για να δεσπόζει στη Βασιλεύουσα. Τα θεμέλια αυτού του μεγαλοπρεπή ναού θα μπουν στις 23 Φεβρουαρίου του 532, με σχέδια που εκπόνησαν οι αρχιτέκτονες Ανθέμιος Τραλλιανός και Ισίδωρο ο Μιλήσιος.
Για την ολοκλήρωση του κολοσσιαίου έργου εργάστηκαν αδιάκοπα επί έξι χρόνια 10.000 τεχνίτες, ενώ ξοδεύτηκαν 320.000 λίρες (περίπου 120.000.000 ευρώ). Από κάθε σημείο όπου υπήρχε Ελληνισμός, έγινε προσφορά: Τα πράσινα μάρμαρα από τη Μάνη και την Κάρυστο, τα τριανταφυλλιά από τη Φρυγία και τα κόκκινα από την Αίγυπτο. Από τον υπόλοιπο κόσμο προσφέρθηκαν τα πολύτιμα πετράδια, ο χρυσός, το ασήμι και το ελεφαντόδοντο, για τη διακόσμηση του εσωτερικού.

Τα εγκαίνια έλαβαν χώρα στις 27 Δεκεμβρίου του 537 από τον Ιουστινιανό, που βλέποντας την υπεροχή της Αγίας Σοφίας έναντι του ξακουστού ναού του Σολομώντα, αναφωνεί: «Δόξα των Θεώ το καταξιωσάντι με τελέσαι τοιούτον έργον. Νενίκηκά σε Σολομών».