Greitai po Konstantinopolio įkūrimo 330m., katedros ir vyskupų pastatų kompleksai buvo suplanuoti iškilusioje vietoje, senovės Bizantijos akropolio šone; netoli tos vietos ant kurios buvo įkurti Didieji Rūmai. Hagia Eirene („Šventieji Rūmai“) buvo baigta statyti anksčiau nei Hagia Sophia („Šventoji Išmintis“) ir veikė kaip katedra, kuri buvo pašvęsta valdant Konstantinui, 360m. Nuo to laiko jos veikė kartu kaip svarbiausios bažnyčios visoje imperijoje ir buvo Konstantinopolio Patriarcho būstinė, bei vieta, kurioje vyko svarbūs imperijos visuomenės ceremonialai. Nepaisant specifinės šių bažnyčių paskirties, jos reik manyt, buvo skirtos Kristaus atminimui, kaip du Jo atributai.
Pirmoji Hagia Sophia bažnyčia buvo erdvi, koloninė bazilika, kurioje buvo galerijos ir medinis stogas, prieš tai buvęs atriumas; jis buvo sugadintas gaisro 404m. ir perstatytas 415m. Architektūrinę šios katedros svarbą sunku įvertinti, nes visa tai dabar yra po dabartiniu pastatu. Ši katedra pristato kongregacinę baziliką tokio tipo, kokio buvo daug pastatytų katedrų visoje Konstantino imperijoje, po 313m., ir ji priklauso tam periodui, kai paskesnę Konstantinopolio jėgą ir kaip sostinės svarbą buvo sunkiai galima numatyti. Vis dėlto šaltiniai nurodo, kad ji buvo visiškai aprūpinta auksiniais ir sidabriniais indais, bei apstatymais. Vakarinis portikas, vedantis į atriumą, buvo tyrinėtas 1935m., o laisvai stovėjęs iždas 1979m. Pagrindinio portiko architektūrinė skulptūra priklauso ankstyvam Va. Atstatymui ir labai panaši į to paties laikotarpio svarbiausią, įspūdingų formų skulptūrą iš Konstantinipolio Aukso Vartų. Naujausi tyrinėjimai rodo, kad pirmoji Hagia Sophia buvo 52m pločio, su centrine ir 4 šoninėmis navomis, ir ištęsta 100m nuo atriumo į vakarus ir iki rytinės bažnyčios sienos.
532-1453m. bažnyčia išgyveno gausios statybos ir puošybos laikotarpį.
Architektūra
Pirmoji Hagia Sophia buvo labai stipriai sugadinta 532m. sausio 15d. siautėjusio gaisro metu. Dabartinė didžiulė, centriškai suplanuota, kupolinė katedra, kuri pakeitė ir padengė anksčiau buvusią, buvo pastatyta ir dekoruota valdant Justinianui I, 573m. gruodžio 24d. Kupolas sugriuvo 558m. gegužės 7d. vykstant remonto darbams, po 557m. gruodžio 14d. įvykusio žemės drebėjimo. 562m. kupolas buvo rekonstruotas paaukštinant jo profilį. VIa. Bažnyčia buvo labai geros būklės, bet vis dėlto tai sudarė sąlygas struktūriniam taisymui ir permainoms per amžius. Akivaizdžiausias pertvarkymas, tai įėjimo į pietvakarinį vestibiulį padarymas vėlyvame VIa., be to aplink pastatą buvo
pristatyti papildomi išsikyšimai. Kitas didelis katedros taisymas vyko po 989m. vykusio žemės drebėjimo, tuo metu Armėnijos architektas Trdat (989-1000m.) perstatė pagrindinę arką ir dalį skliauto.
Naujos Hagia Sophia statyba 532-537m. paskatino didelių pasikeitimų pasaulio architektūroje atsiradimą, bei pademonstravo to laikotarpio architektūros struktūros kūrimąsi. Šis pasiekimas buvo gerai įvertintas ir aprašytas amžininko Prokopijaus veikale „Apie statinius“. Jo veikalas skirtas Justiniano I visuotinės globos išaukštinimui ir bažnyčią aprašo kaip didžiausią statinį pastatytą jam viešpataujant. Prokopijus katedros pastatymo nuopelnus priskiria imperatoriui, o ne dviem architektam, Atemijui iš Tralės ir Izidoriui iš Mileto. Jų sugebėjimas, iškelti aukštą skliautą virš tokios atviros ir didelės erdvės, siejamas su Herono iš Aleksandrijos (62m.pr.Kr.) matematikos ir geometrijos teorijų žinojimu. Vidinė erdvė didžiulė ir labai sudėtingai suorganizuota: vidurinė nava platesnė ir aukštesnė už šonines, suskliauta didžiuliu kupolu, kurį iš dviejų pusių remia du žemesni puskupoliai, galerijų aukštai padalyti į skirtingus skyrius. Architektūrinė kompozicija šiuo mastu yra komplikuota ir iš žiūrovo reikalauja šiek tiek laiko vertinat visas struktūrinių problemų rūšis, priklausančias nuo nepakankamo pagrindo, grunto nusėdimo, žemės drebėjimų padarytos žalos bei plano nestabilumo. Architektai, greičiausiai, mažiau dėmesio skyrė funkcinėm bažnyčios reikmėm, nors ir buvo aprūpinti būtinais šventovei apstatymais. Nauji vartotojai palaipsniui atrasdavo didžiules erdves, pavyzdžiui, pietinė galerija tapo privačia imperatoriaus ir patriarcho sritimi, tačiau nevisai aišku, kokias kulto funkcijas atliko šiaurinė galerija.
Į katedros galerijas vedė daug priėjimų šlaitais, be to buvo gausu durų vedančių į narvelius, apjuostus arkomis, ir į bažnyčią. Aštuoniakampė Mažoji Krikštykla (562m.), iki šiol išlikusi pietvakarinėje dalyje, stovėjo šalia Patriarcho Rūmų (vėlyvasis VIa.; sugriauti). Bažnyčiai tarnavo gausi dvasininkija ir nuo XI a. kasdien buvo šlovinama liturgija. Tai lėmė didžiulį lankytojų ir maldininkų antplūdį. Jie galėjo garbinti daugelį Krikščioniškų relikvijų, surinktų per amžius ir išdėliotų aplink pastatą. Be to, Hagia Sophia struktūrinis drąsumas yra būdingas architektūrinėse skulptūrose, kurios buvo menkai išvystytos. Niekintose ankstyvosiose Konstantinopolio, Sergijaus ir Bakho bei Šv.Polieukto (524-527m.; sugriauta), bažnyčiose, vėlyvosios Antikos architektūriniai orderiai suskaidyti į nepastovų ir labiau ornamentišką kapitelių ir atbrailų formų dekoravimą.
Kapitelių puošimas yra pagrįstas aštrių, smailių akanto formų naudojimu ir apima Justiniano, rečiau jo žmonos Teodoros, monogramas. Galerijų sujungimai aptaisyti balto marmuro augalinėmis ir paukščių formomis, priešpastatytomis tamsiam marmurui. Bendras architektūrinių raižinių ir ornamentų įspūdis, tai kontrastingos, tamsios ir šviesios, formos. Tuo metu, kai kelios kolonos buvo panaudotos ir perdirbtos iš ankstesnių pastatų, dauguma kitų marmurinių kolonų buvo iškaldintos netoliese esančios Marmuro jūros salose. Hagia Sophia atstovauja vieną vėlyviausių didžiulių pastatų, kuriame, specialiu pavedimu, buvo panaudotas Prokonesinis marmuras iš žymių senovės marmuro skaldyklų, kurios, matyt, nustojo funkcionuoti VIa. Prokonesinis marmuras buvo naudojamas ir kitiems Konstantinopolio pastatams, nuo VIa. Marmurą paprastai panaudojant iš ankstesnių pastatų.