Обвалившийся во время землетрясения 989 купол собора перестроил армянский архитектор Трдат, автора Анийского собора.
16 июля 1054 г. в Софийском соборе на святом алтаре во время богослужения легатом папы римского кардиналом Гумбертом константинопольскому патриарху Михаилу Керулларию была вручена отлучительная грамота.
С тех пор произошло Разделение церквей на Католическую и Православную.
До разграбления крестоносцами Константинополя в 1204 году в соборе хранилась Туринская плащаница.
В 1453 году завоевавший Константинополь султан Мехмед II повелел превратить собор в мечеть, сотворив при этом самолично первую молитву во славу Аллаха. К собору пристроили четыре минарета, и собор превратился в мечеть Айя-София. Поскольку собор был ориентирован по христианской традиции — алтарь на восток, мусульманам пришлось переиначить его «по-правильному», поместив михраб в юго-восточный угол собора (направление на Мекку). Из-за этой переделки в Айя-София, как и в других бывших византийских храмах, молящиеся мусульмане вынуждены располагаться под углом относительно основного объёма здания. Большинство фресок и мозаик остались невредимыми, как полагают некоторые исследователи, именно благодаря тому, что в течение нескольких веков были замазаны штукатуркой.
В 1935 году, согласно декрету Ататюрка, Айя София стала музеем, а с фресок и мозаик были счищены скрывавшие их слои штукатурки. В 2006 году в храме было возобновлено проведение мусульманских религиозных обрядов.
.
