Ο ναός της Αγίας Σοφίας, παγκόσμιας εμβέλειας σταθμός στην εξέλιξη της αρχιτεκτονικής, αναγνωρίζεται γενικώς ως αφετηριακό έργο της βυζαντινής ναοδομίας. Ωστόσο λόγω του εξαιρετικού μεγέθους του (πολλαπλάσιο από ό,τι άλλο παρήγε έκτοτε η βυζαντινή αρχιτεκτονική) και λόγω της αρχαιότητάς του (532-537) είναι αναγνωρίσιμος και ως ένα από τα έσχατα έργα της μεγάλης ρωμαϊκής αρχιτεκτονικής, στην οποία άλλωστε, θεωρούμενα αυτοτελώς, ανήκουν όλα τα επί μέρους στοιχεία του: τοίχοι, πεσσοί και τόξα εκ λίθων και οπτοπλίνθων, κυλινδρικοί, ημισφαιρικοί και τεταρτοσφαιρικοί θόλοι, σιδηρές ενισχύσεις, μαρμάρινα πολυτελή θυρώματα, ρωμαϊκοί μαρμάρινοι ή γρανίτινοι κίονες (εξαιρουμένων των κιονοκράνων) σε ζεύγη ή σε σειρές, τριμερή ή πολυμερή φωτιστικά ανοίγματα, πολύχρωμες μαρμαρεπενδύσεις και μαρμαροστρώσεις, μωσαϊκά και ψηφιδωτά, επιχρίσματα τοίχων και μεταλλικές επικαλύψεις θόλων. Όλα αυτά, αλλά μεγαλύτερα και στερεότερα, είχαν επιτευχθεί προ πολλού στην Ρώμη. Ό,τι όμως συνιστά την υπέρβαση σε αυτό το έργο, χάρις στη δύναμη του κράτους, τη φιλοδοξία του Ιουστινιανού και το χάρισμα των αρχιτεκτόνων-μαθηματικών-μηχανοποιών Ανθεμίου και Ισιδώρου, είναι η πρωτοφανής σύνθεση αυτών των ήδη γνωστών συστατικών, η οποία, εξαιρουμένου του εμβαδού του κτηρίου, υπερβαίνει κατά πολύ τα έργα αυτού του είδους, προγενέστερα και μεταγενέστερα.

Το κατ’ εξοχήν πρωτότυπο στοιχείο, πολύ μεγάλος τρούλος φερόμενος μέσω τόξων επί τεσσάρων ισχυρών πεσσών και όχι επί συνεχών τοίχων, συνδυάζεται με μια άλλη πρωτοτυπία: για να αντιμετωπισθούν οι προς τα έξω τεράστιες ωθήσεις, τα μεν πλευρικά τόξα έχουν μέγα εγκάρσιο πλάτος και τα δύο άλλα (προς το ιερό και προς την είσοδο) αντιστηρίζονται από τεταρτοσφαίρια ανοικτά προς το μέρος του τρούλου, τα οποία με τη σειρά τους αντιστηρίζονται από άλλα μικρότερα τεταρτοσφαίρια, τρία στα ανατολικά και δύο εκατέρωθεν μιας καμάρας στα δυτικά. Με αυτή τη διάταξη οι μεν ωθήσεις μεταβιβάζονται με ασφάλεια προς τα έξω και προς τα κάτω, ενώ η σύνθεση ημισφαιρίου, σφαιρικών τριγώνων και τεταρτοσφαιρίων, μεγάλων και μικρών, καλύπτει κεντρικό χώρο υψηλότερο του Πανθέου της Ρώμης (56 μ. έναντι 44 μ.) και εκτενέστερο αυτού (αντιστοίχως 2000 μ² έναντι 1500 μ²), έστω και αν ο θόλος του Πανθέου, με εμβαδόν διπλάσιο του τρούλου της Αγίας Σοφίας, είναι ο μέγιστος παγκοσμίως.
Αλλά οι αριθμοί μόνοι δεν αρκούν ως μέτρο υπεροχής της αρχιτεκτονικής του ιουστινιάνειου ναού. Οι πλευρικές κιονοστοιχίες, κάθε μια εκ τεσσάρων γιγάντιων κιόνων με μονολιθικούς κορμούς, αραιόστυλες και, παρά το μέγεθος, ανάλαφρες στο μάτι, φέρουν τις εξάστυλες κιονοστοιχίες του υπερώου και τα επ’ αυτών διαφράγματα με τα πάλαι ποτέ ευρύτατα φωτιστικά ανοίγματα (μεταξέλιξη παρόμοιων της εποχής του Διοκλητιανού), ενώ ταυτοχρόνως αποτελούν μέσον οριοθέτησης των πλευρικών χώρων, αλλά και συνέχειας αυτών προς τον κεντρικό χώρο μέσω των μετακιονίων. Παρόμοια ισχύουν και για τα ζεύγη (ή στο υπερώον εξάδες) κιόνων με εκατέρωθεν παραστάδες, στα μικρά ημικύκλια, τα φέροντα τους γωνιαίους μικρούς τεταρτοσφαιρικούς θόλους.
Άλλοι κίονες και πεσσοί, πίσω από αυτές τις κιονοστοιχίες, αναγκαία ενδιάμεσα στηρίγματα του υπερώου και των υπεράνω αυτού θόλων, ενεργούν ως στοιχεία οπτικού ορισμού μιας απώτερης ζώνης χώρου, η οποία περικλείεται από τους εξωτερικούς τοίχους με τα αρχικώς γιγάντια πολυμερή φωτιστικά ανοίγματα –ελαττωμένα πλέον κατά πολύ εξ αιτίας αντιστηρικτικών και άλλων προσκτισμάτων. Η ίδια ακριβώς διάταξη περιμετρικών θολοσκέπαστων χώρων, στύλων, κιονοστοιχιών και απέραντων περιμετρικών τοίχων με γιγάντια φωτιστικά ανοίγματα εμφανίζεται και στο αχανές υπερώον, 14 μ. υπεράνω του ισογείου, το οποίο και μόνο, με ανάπτυγμα εκατοντάδων μέτρων, υπερβαίνει κατά πολύ την ολότητα άλλων μεγάλων κτηρίων αυτού του είδους. Χάρις στην διάταξη χώρων και φερόντων στοιχείων, το σύνολο είναι αντιληπτό από κάθε σημείο του ισογείου ή του υπερώου κατά τρόπον πανοραμικό, έως γωνίας 360 μοιρών: σε κάθε κατεύθυνση το βλέμμα διαπερνά αβίαστα τα διαδοχικά μέρη του χώρου, τα οποία με τον κυμαινόμενο λόγω είδους και θέσεως φωτισμό, και με το κυμαινόμενο λόγω αποστάσεως ατμοσφαιρικό θάμβος, τονιζόμενο από ακτίνες φωτός κατερχόμενες από τα δυσθεώρητα ύψη και από τις ανταύγειες των επιφανειών, ειδικότερα δε τις έγχρωμες ανακλάσεις των μαρμάρων, εμφανίζονται ως έξοχο σύνολο ασύλληπτης οπτικής απεραντοσύνης και ως τοπικές ενότητες σπάνιας αρχιτεκτονικής ισορροπίας.
Αλλά, ως συνήθως σε τέτοιους χώρους, μάλιστα σε αυτόν ακόμη περισσότερο, η εμπειρία αθροίζεται μέσω της παραγόμενης από την κίνηση συνεχούς μεταβολής των εικόνων κατά τους νόμους της γεωμετρικής προοπτικής, μετρούμενη σε βήματα και σε αναρίθμητες χρονικές στιγμές διαδοχικών οπτικών ερεθισμάτων, στα οποία προστίθενται και εκείνα των λοιπών αισθήσεων, όπως οι αντηχήσεις, η ιδιαίτερη κατά θέσεις οσμή της ατμόσφαιρας, η ψυχρότης ή η θάλπη του αέρα στα εναλλασσόμενα σκιερά και ηλιόλουστα μέρη του χώρου, η μέσω του πέλματος απτική αίσθηση των ανωμαλιών του δαπέδου, των δηλωτικών χρόνιας χρήσης, αλλά και μηχανικών αλληλεπιδράσεων εδάφους και κτηρίου.

Όλα αυτά, τα διά των αισθήσεων συλλεγόμενα, σπάνια ως προς την ποσότητα, πυκνότητα και ποιότητα, προκαλούντα μεταξύ άλλων και μεγάλη επιμήκυνση της υποκειμενικής διάρκειας τού χρόνου, καθίστανται έναυσμα έντονης διανοητικής εργασίας, άλλα αμέσως, άλλα με κάποια χρονική υστέρηση, αναπόφευκτη λόγω του πλήθους των ή της συγκινησιακής κατάστασης του επισκέπτη και άλλα εν καιρώ. Δέος, αισθητική απόλαυση σε πολύ μεγάλες δόσεις, απορία και θαυμασμός, δίψα για τεχνικές εξηγήσεις, σκέψεις και θεωρίες, αναπόληση και πόθος επιστροφής, έντονη διάθεση για συζήτηση και ανταλλαγή εντυπώσεων, αναθεώρηση των συστημάτων βαθμολόγησης, τάσεις ταπεινοφροσύνης, αλλά και ανατροφοδότηση της πίστης στις ανθρώπινες δυνάμεις και πολλά άλλα είναι εκείνα που κατά διαφόρους συνδυασμούς διακατέχουν τη σκέψη και την ψυχή του επισκέπτη.

Όπως τονίζει ο Χ. Μπούρας αυτό το έργο ανήκει κατ’ εξοχήν στην λίαν σπάνια κατηγορία επιτευγμάτων, για τα οποία η εντύπωση του επισκέπτη δεν είναι ποτέ κατώτερη από τις προσδοκίες του, ακόμη και τις πλέον υπερβολικές, τις οφειλόμενες στην τεράστια φήμη του έργου και στην συχνά άμετρη χρήση υπερθετικών σε διάφορες περιγραφές που έτυχε αυτός να έχει κατά καιρούς ακούσει ή διαβάσει.
Το τεράστιο αρχιτεκτονικό επίτευγμα του Ανθεμίου και του Ισιδώρου, πέραν ενός ισχυρού επιστημονικού υποβάθρου ρωμαϊκής οικοδομικής και ελληνικών μαθηματικών, είναι πρωτίστως αποτέλεσμα τόλμης. Ο αρχικός κεντρικός θόλος, που κατέρρευσε από σεισμό εντός εικοσαετίας μετά την περάτωση της κατασκευής, δεν ήταν ημισφαιρικός όπως ο νυν, αλλά είχε ασπιδοειδή μορφή, η οποία ικανοποιούσε μεν τον σκοπό της ορατότητας όλης της επιφάνειάς του, συνοδευόταν όμως από δυσμενέστερες μηχανικές ωθήσεις. Ο νυν ημισφαιρικός θόλος αν και από στατικής πλευράς ευνοϊκότερος του αρχικού δεν παύει να είναι το κατ’ εξοχήν μέρος υψίστης τεχνικής δυσκολίας. Αν και πολύ μικρότερος από τον θόλο του Πανθέου λειτουργεί υπό δυσμενέστερες στατικές συνθήκες, όχι μόνον ως προς το φέρον σύστημα, το οποίο στο Πάνθεον, ως συνεχής τοίχος, είναι πολύ ευκολότερο και ασφαλέστερο, αλλά και ως προς το υλικό, το οποίο στο Πάνθεον, με ειδικό βάρος περίπου 1,35 gr/cm², είναι πολύ ελαφρότερο και λόγω της σύστασής του στερεότερο. Σε αυτά ας προστεθεί ότι ενώ η κατασκευή του θόλου του Πανθέου, όπως και πολλών άλλων στον ρωμαϊκό κόσμο, ήταν δυνατή σχεδόν σε όλο το ύψος χωρίς ξυλότυπο (στη Ροτόντα της Θεσσαλονίκης έως το μέσον του ύψους), στην Αγία Σοφία το κτίσιμο του θόλου ήταν δυνατόν μόνον επί ισχυρού ικριώματος και ολικού ξυλοτύπου, με όλες τις δυσκολίες μηχανικού και γεωμετρικού συμβιβασμού κατά την επ’ αυτού βαθμιαία σώρευση του φορτίου και ειδικότερα κατά τη διάρκεια της σύντομης, αλλά δύσκολης και ριψοκίνδυνης αφαίρεσης των ξύλων. Η γνωστή υποχώρηση και παραμόρφωση του κύριου φέροντος συστήματος (οι οξυδερκέστεροι την αντιλαμβάνονται χωρίς μετρητικά όργανα), η οποία συνέβη ήδη κατά την διάρκεια της κατασκευής, αποτελεί περίτρανη απόδειξη της δυσκολίας του εγχειρήματος και της τόλμης των αρχιτεκτόνων.
Η σχετική αναφορά του Προκόπιου στην παρέμβαση του Ιουστινιανού με επίμονη προτροπή προς τους αρχιτέκτονες για τη συνέχιση του έργου, παρά τις ανησυχίες που προκαλούσε η κατάσταση, έστω και αν αποτελεί κολακευτική προς τον αυτοκράτορα παραποίηση των λεπτομερειών της στιχομυθίας, είναι δηλωτική της οξύτητας του ζητήματος και της σοβαρότητας της σχετικής συζήτησης. Λαμβανομένου υπ’ όψιν αφ’ ενός ότι το όλο στατικό σύστημα συνδυαζόμενο με την τεράστια κλίμακα του έργου αποτελούσε γιγάντιο πρόβλημα σε σχεδόν άγνωστο πεδίον, αφ’ ετέρου ότι σε παλαιότερες εποχές οι αποτυχίες των μηχανικών είχαν γι’ αυτούς πολύ σοβαρότερες επιπτώσεις, ο θαυμασμός μας για το έργο, πέραν των εξαιρετικών αρχιτεκτονικών αρετών του, πρέπει να περιλαμβάνει και εκείνον για την τόλμη που συνόδευε την έξοχη επιστημοσύνη των δημιουργών του.

Σήμερα η κάλυψη του χώρου μιας εκκλησίας με θόλους είναι τρόπος προ πολλού δεδομένος, συνοδευόμενος εκτός των άλλων και από έναν λίαν προβαλλόμενο συμβολισμό του κεντρικού ημισφαιρικού θόλου ως ομοιώματος του ουράνιου θόλου και του στερεώματος. Φαίνεται δε αυτός ο συμβολισμός τόσο πειστικός, ώστε να νομίζεται ως ο κύριος λόγος της θολωτής κάλυψης των εκκλησιών. Όμως, προς μεγάλη ίσως απογοήτευση των πλατωνικώς σκεπτομένων, στην περίπτωση των εκκλησιών η ιδέα του συμβολισμού δεν προηγείται της δημιουργίας των ημισφαιρικών θόλων, αλλά έπεται αυτής. Αρκεί να σκεφθεί κανείς ότι πολύ πριν από τις πρώτες εκκλησίες, αλλά ακόμη και από το Πάνθεον (ήδη επί Τραϊανού), θόλοι ημισφαιρικοί, ενίοτε μεγαλύτεροι εκείνου της Αγίας Σοφίας κάλυπταν τους θερμότερους χώρους των ρωμαϊκών λουτρών, όπου ό,τι περισσότερο επικρατούσε ήταν το σαρκικό μάλλον, παρά το πνευματικό. Αντιθέτως οι πρώτες χριστιανικές εκκλησίες, ήταν ορθογώνιες και ξυλόστεγες, σε μίμηση παρόμοιων δημόσιων κτηρίων που προ πολλού υπήρχαν στις αγορές για να στεγάζουν ποικίλες κοσμικές δραστηριότητες. Τα κτίσματα αυτά λέγονταν βασιλικές επειδή ομοίαζαν με τα βασίλεια, χώρους επίσημων τελετών στα ανάκτορα των βασιλέων της ελληνιστικής εποχής. Κοινό συστατικό της αρχιτεκτονικής αυτών των ορθογώνιων χώρων (από τα ανάκτορα έως τις παλαιοχριστιανικές εκκλησίες) ήταν οι μαρμάρινες κιονοστοιχίες, οι οποίες στην περίπτωση των χριστιανικών βασιλικών απαρτίζονταν κατά κανόνα από κίονες αποκτώμενους δια της διαλύσεως παλαιοτέρων κτηρίων, ιδίως στοών. Το όλο σύστημα εξασφάλιζε οικονομία, ταχύτητα και προσαρμοστικότητα σε κάθε επιθυμητό μέγεθος κτηρίου, το οποίο σε τελευταία ανάλυση ήταν το γινόμενο του διαστήματος των κιόνων επί το πλήθος αυτών. Το αποτέλεσμα, κτίσματα ενίοτε πολύ εκτενέστερα από την Αγία Σοφία, όπως π.χ. οι προγενέστερες αυτής βασιλικές του Αγίου Πέτρου και του Αποστόλου Παύλου στη Ρώμη, ήταν και αυτό συνδυαστό με μια συμβολική εξήγηση: ο δρόμος προς έναν ύψιστο σκοπό, από την είσοδο της εκκλησίας προς το ιερό. Όμως, τα κτήρια αυτά με τις τεράστιες ξύλινες στέγες καίγονταν εύκολα και διόλου τυχαία, κάποια στιγμή, νωρίτερα στο Βυζάντιο και αργότερα στην πέραν των Άλπεων Δύση, έδωσαν τη θέση τους σε άλλα (βυζαντινά, ρωμανικά, γοτθικά) που καλύπτονταν με κτιστούς θόλους, ώστε να μη καταστρέφονται από τους κάθε είδους βαρβάρους (ντόπιοι στασιαστές, Γότθοι, Βάνδαλοι, Βίκινγκς κ.α.)

Τα ίδια ακριβώς ισχύουν και για την Αγία Σοφία: κτισμένη ως «κωνσταντίνειο» έργο από τον Κωνστάντιο στα μέσα του τέταρτου αιώνα, η Μεγάλη Εκκλησία, όπως την έλεγαν αρχικά, ήταν μια ευρύχωρη, μάλλον πεντάκλιτη βασιλική με μαρμάρινους κίονες και ξύλινη στέγη. Δυστυχώς, το 404, σε λιγότερο από μισό αιώνα λειτουργίας, η εκκλησία καταστράφηκε διά πυρός κατά τη διάρκεια λαϊκής εξέγερσης διαμαρτυρίας για την άδικη εξορία του Πατριάρχη Ιωάννη Χρυσόστομου. Η ανοικοδόμηση της Μεγάλης Εκκλησίας προχώρησε γοργά με άφθονα χρήματα επί αυτοκράτορος Θεοδοσίου Β΄ και το 415 έγιναν τα εγκαίνια (μέχρι τότε ως καθεδρικός ναός χρησίμευε η πλησίον εκκλησία της Αγίας Ειρήνης). Η νέα εκκλησία, είχε πολυτελέστατη κατασκευή με λαξευτά μαρμάρινα διακοσμητικά στοιχεία, πολύχρωμα ψηφιδωτά δάπεδα και βαρύτιμη ξύλινη στέγη. Δυστυχώς όμως, και αυτή η εκκλησία καταστράφηκε με τον ίδιο ακριβώς τρόπο, κατά τη Στάση του Νίκα, ακριβώς εκατόν είκοσι έτη μετά την περάτωση της κατασκευής της. Παλαιότερες αλλά και νεότερες ανασκαφικές έρευνες στα δυτικά του κτηρίου έφεραν στο φως ικανά κατάλοιπα του αιθρίου της νυν εκκλησίας ως και κατάλοιπα προγενέστερων φάσεων αυτού μέσω των οποίων αποδεικνύεται ότι οι πρώτη και η δεύτερη εκκλησία είχαν την ίδια με το νυν κτήριο θέση. Τούτο σε μεγάλο βαθμό εξηγεί τον σπάνιο τύπο του ιουστινιάνειου κτίσματος, στον οποίο συγχωνεύεται ένα αυτοτελές γιγάντιο σύστημα πεσσών και τόξων με το σύστημα των κιονοστοιχιών μιας βασιλικής. Η νέα δημιουργία συνδύαζε τη δρομικότητα του χώρου της αρχικής εκκλησίας με την ευρύτητα και πολυαξονικότητα του Πανθέου και ακόμη περισσότερο των πολυμερών περίκεντρων κτηρίων. Η αριστοτεχνική διάταξη των κιονοστοιχιών και των υπεράνω αυτών τυμπάνων με τα φωτιστικά ανοίγματα υπηρετούσε έναν επίσης σημαντικό σκοπό: την μεγίστη δυνατή απόκρυψη του πάχους των μειζόνων πεσσών εις όφελος μιας λίαν αποτελεσματικής οπτικής ελάφρυνσης των ορίων του χώρου.
Δυστυχώς, λόγω της φύσης του εδάφους και των υποκείμενων ιστορικών στρωμάτων η θεμελίωση σε τελείως στερεό έδαφος δεν ήταν παντού δυνατή. Οι αρχιτέκτονες κατέφυγαν σε ό,τι θα προσέφερε μεγίστη στερεότητα στους μείζονες πεσσούς: ογκώδεις λαξευτοί λίθοι με ελάχιστους λεπτούς αρμούς πληρωμένους με άσβεστο και μόλυβδο. Εκτός αυτού έδωσαν στους πεσσούς κάποια οπτικώς ανεκτή κλίση προς αντιστάθμιση των αναμενόμενων προς τα έξω ωθήσεων και στα κύρια τόξα χρησιμοποίησαν οπτοπλίνθους του μεγίστου και στερεότερου είδους. Παρά ταύτα το κτήριο παρουσίασε παραμορφώσεις, οι οποίες κατά τη διάρκεια των μεγάλων σεισμών μεγάλωναν, συνοδευόμενες ενίοτε από καταρρεύσεις τμημάτων του βαρύτατου τρούλου.

Η ανακατασκευή των μερών που κατέρρεαν δεν αναιρούσε τις παραμορφώσεις, αλλά πολύ περισσότερο τις ακολουθούσε και ενίοτε τις τόνιζε προδοτικά. Όμως πολύ μεγαλύτερες ήταν οι προληπτικές επεμβάσεις γύρω από το κτήριο: ογκώδεις αντηρίδες, κατάργηση ή ελάττωση φωτιστικών ανοιγμάτων, επίστεγες τοξωτές αντηρίδες, γεμίσματα κ.α., μέσω των οποίων προέκυψε η νυν ακανόνιστη, ασύμμετρη και λίαν διαταραγμένη εξωτερική μορφή, η οποία μόνο στα ανώτερα μέρη διατηρεί κάτι από την γενική διάταξη των όγκων, ενώ τα κατώτερα παραμένουν σε λίγες μόνο θέσεις ορατά. Σε αυτή σχεδόν την κατάσταση το είχαν γνωρίσει ευρωπαίοι και μουσουλμάνοι, συμπεριλαμβανομένων των Οθωμανών, πολύν ήδη καιρό πριν την Άλωση, και το αποτέλεσμα ήταν για τους τελευταίους ένας απέραντος θαυμασμός ενωμένος με κάθε φιλοδοξία κατανόησης και μίμησης της αρχιτεκτονικής του, αλλά και κατάκτησης της Πόλης. Πολύ σύντομα η Αγία Σοφία έγινε το ύψιστο παράδειγμα της οθωμανικής αρχιτεκτονικής, όπως πολύ παλαιότερα, μαζί με άλλα κτήρια, ήταν παράδειγμα και για την αραβική αρχιτεκτονική.
Έτσι από τον 15^ο αι. κ.ε. τα σημαντικότερα τουρκικά τζαμιά θα είναι απλώς καλές προσπάθειες περίληψης των αρχιτεκτονικών στοιχείων της. Μετά την Άλωση, το ήδη πανάρχαιο κτήριο έγινε ο κεντρικός χώρος προσευχής των κατακτητών και όπως ήταν φυσικό τα πράγματα ως προς τις στερεωτικές επεμβάσεις δεν άλλαξαν. Νέες αντιστηρικτικές κατασκευές ήταν πάντοτε η απάντηση στον κίνδυνο των σεισμών. Τώρα όμως ένα άλλο κύμα επεμβάσεων αφορούσε την λειτουργία και την συμβολική κόσμηση του κτηρίου. Όπως είχε γίνει πολύ παλιότερα κατά την εποχή της Εικονομαχίας, οι θρησκευτικές παραστάσεις σε τοίχους και θόλους αποξέσθηκαν ή σκεπάσθηκαν με επιχρίσματα, στα οποία νέες παραστάσεις, ανεικονικές διακοσμητικές ή καλλιγραφικές συνέβαλλαν στην προβολή του νέου θρησκευτικού ύφους. Ταυτοχρόνως προστέθηκε το στοιχείο Κίμπλα-μιχράμπ με άξονα προς την κατεύθυνση της Μέκκας, στα δεξιά του ιερού. Εκτός αυτού μερικοί από τους πρώτους σουλτάνους θέλησαν να ταφούν σε μαυσωλεία που έκτισαν σχεδόν σε επαφή με το ιουστινιάνειο κτήριο, και τέσσερις γιγάντιοι μιναρέδες προστέθηκαν βάσει σχεδίων του χαρισματικού Σινάν, ενώ σε άλλες πλευρές του νέου συνόλου προσκολλήθηκαν νέα προσκτίσματα. Κατά τα μέτρα ενός όχι αμελητέου περιηγητικού ρομαντισμού το αποτέλεσμα ήταν και είναι λίαν γραφικό και συναρπαστικό, όμως, το μείζον μέρος του όλου, το παγκόσμιας σημασίας αρχιτεκτόνημα, χανόταν και χάνεται μέσα στην ολική μαγική εικόνα. Έτσι ακριβώς αποτυπώθηκε χιλιάδες φορές από καλλιτέχνες και φωτογράφους και έτσι επίσης βιώθηκε ζωντανά ή φαντασιακά μέσω εικόνων που ταξίδευαν σε όλο τον κόσμο.

Με την παρακμή της οθωμανικής δύναμης και την εξάπλωση της ευρωπαϊκής επιρροής η στάση της οθωμανικής ηγεσίας ήταν αμήχανη, ιδίως μετά την απώλεια του ελέγχου στην Αίγυπτο την νότια Ελλάδα και αλλού. Σε αυτό το κλίμα ο Μαχμούτ Β΄, σουλτάνος από το 1808, προχωρούσε προοδευτικά προς έναν εκσυγχρονισμό με λήψη ορθών μέτρων κατάργησης παλαιών δομών και ανάπτυξης νέων. Το τελευταίο που πρόλαβε να αρχίσει, το 1839, ήταν η περίφημη μεταρρύθμιση Τανζιμάτ. Τον ίδιο καιρό, ιδίως μετά από μια πυρκαϊά στην περιοχή του Γαλατά, η Πόλη ήταν ένα εργοτάξιο με έντονη την παρουσία των Δυτικών, εμπόρων, διπλωματών, καλλιτεχνών και επιστημόνων. Μεταξύ αυτών ήταν και ένας ιταλοελβετός, ο Caspare Fossati, γεννημένος το 1809 κοντά στο Λουγκάνο. Νεότατος διπλωματούχος της Αρχιτεκτονικής Σχολής του Μιλάνου (1827), μετά από πέντε χρόνια μελέτης στη Ρώμη, ταξίδεψε στη Ρωσία, προσφιλή τότε προορισμό ταλαντούχων από κάθε γωνιά της Ευρώπης, όπου ως επαγγελματίας εργάσθηκε επί μια πενταετία κατά την οποία η επιτυχία του ήταν τόση ώστε να επιλεγεί από τον Νικόλαο Α΄ως αρχιτέκτων του μεγάρου της ρωσικής διπλωματικής αποστολής στην Κωνσταντινούπολη. Ο Fossati επισκέφθηκε στα γρήγορα την Πόλη για να γνωρίσει τον τόπο της νέας δράσης του, και δύο χρόνια αργότερα, το 1839, μόλις τριακονταετής, εγκαταστάθηκε σε αυτήν οριστικά. Εκείνη την χρονιά ο σουλτάνος απεβίωσε, αλλά ευτυχώς το έργο του συνεχίσθηκε αμέσως με κάθε ενθουσιασμό από τον μόλις δεκαεξαετή διάδοχό του Αβδούλ Μετζίτ (1823-1861). Ο νέος Σουλτάνος, περιβαλλόμενος από κατάλληλους συμβούλους, συνδύαζε την δυτικού τύπου ανατροφή του με την πίστη σε έναν κατά το δυνατόν ομαλό εκσυγχρονισμό, μέσω της Μεταρρύθμισης Τανζιμάτ. Σε αυτό το πλαίσιο υπέγραψε τη Χάρτα του Γκιουλχανέ, με καταστατικές αρχές υπέρ του σεβασμού της ελευθερίας και των δικαιωμάτων των μη οθωμανών και των ξένων, ενώ λίγο αργότερα, το 1845, ίδρυσε το Πανεπιστήμιο της Κωνσταντινούπολης.
Εν τω μεταξύ ο Fossati, ενώ προχωρούσε την κατασκευή του ρωσικού μεγάρου, είχε διευρύνει τον επαγγελματικό του κύκλο και είχε ως βοηθό τον πολύ νεώτερο αδελφό του, Τζουζέπε. Η δράση των δύο αδελφών ήταν καλά γνωστή στον νεαρό σουλτάνο, ο οποίος είχε μεγάλο ενδιαφέρον για την αρχιτεκτονική και τα μνημεία.
Τον ίδιο καιρό ένα από τα πρώτα μελήματα του ήταν μια επιστημονικά ορθή αποκατάσταση της Αγίας Σοφιάς ως ιστορικού και καλλιτεχνικού μνημείου παγκόσμιας σημασίας και σε αυτό το πλαίσιο είχε προτείνει στους Fossati να αναλάβουν το έργο, δεδομένου ότι υπήρχε ήδη η δυνατότητα χρηματοδότησης, κυρίως από την μεγάλη κληρονομιά του Σεΐχ-ουλ-Ισλάμ. Τούτο θα απαιτούσε συστηματικές στερεωτικές εργασίες από κατάλληλους τεχνικούς που μόνο στην Δύση υπήρχαν, και μεταξύ άλλων, πράγμα πολιτικώς δυσκολότερο, θα απαιτούσε την αναζήτηση, αποκάλυψη και συντήρηση των χριστιανικών θεμάτων σε τοίχους και θόλους, έστω και εάν αυτά θα έπρεπε πάλι να καλυφθούν. Η σκέψη αυτή και μόνο ξεσήκωσε τους συντηρητικούς ιμάμηδες, οι οποίοι άρχισαν σθεναρά να συνασπίζονται κατά των σχεδίων του Σουλτάνου. Η κατάσταση θα μπορούσε να έχει πολύ αρνητικά αποτελέσματα εάν δεν βρισκόταν τρόπος παράκαμψης των συντηρητικών. Τούτο πράγματι έγινε με την θέσπιση και προσφορά υποτροφιών σε όλους αυτούς για κάποιο θρησκευτικό σεμινάριο και ένα προσκύνημα στην Μέκκα, οι οποίες τους κράτησαν επί πολύ καιρό μακριά από την Πόλη. Το πρόγραμμα των Fossati, όπως αυτό εγκρίθηκε από το αρμόδιο Υπουργείο περιείχε τα εξής: αντιμετώπιση στατικών προβλημάτων με σιδηρό περίζωμα στον τρούλο και πλήθος σιδηρών ελκυστήρων σε διάφορες άλλες θέσεις, επαναφορά κιόνων σε κάθετη θέση, κατακόρυφη επένδυση επιφανειών τοίχων και πεσσών με σοβαρές αποκλίσεις από την κάθετο, αφαίρεση προσκτισμάτων προς ελευθέρωση των εξωτερικών όψεων, επεμβάσεις αποκατάστασης στις επιφάνειες τοίχων και θόλων, αποκατάσταση της εσωτερικής επίπλωσης. Το έργο, με απασχόληση εκατοντάδων εργατών και τεχνητών, διήρκεσε από το 1847 έως το 1849, χωρίς να καταστεί δυνατή η αντιμετώπιση όλων των προβλημάτων. Ο νεαρός σουλτάνος όταν είδε αυθεντικές ψηφιδωτές παραστάσεις κυριολεκτικά μαγεύτηκε από την καλλιτεχνική τους ποιότητα και δήλωσε την επιθυμία του να μείνουν ορατές. Οι σύμβουλοί του, όμως, τον έπεισαν ότι τούτο θα προκαλούσε πολύ δυσάρεστες αντιδράσεις.

Μετά το πέρας των εργασιών ο Caspare καταπιάσθηκε με την ετοιμασία μιας λίαν αναλυτικής δημοσίευσης, η οποία όμως δεν κατέστη δυνατή και το μόνο που απέμεινε ήταν να προβεί το 1852 στην έκδοση ενός λευκώματος λιθογραφικών απεικονίσεων στο Λονδίνο (Aya Sofia Constantinople, as recently restored by Order of H.M. the Sultan Abdul Medjid), το οποίο αφιέρωσε στον σουλτάνο.

Οι τιμημένες με διακρίσεις και μετάλλια εργασίες των Fossati, είναι βέβαιον ότι εξασφάλισαν μεγάλη παράταση ζωής στο κτήριο, αλλά όχι μόνον. Κατά τη διάρκειά τους, η διακοπή της θρησκευτικής λειτουργίας του επέτρεψε την επίσκεψή του από πλήθη ενδιαφερομένων, μεταξύ των οποίων πλείστοι καλλιτέχνες και επιστήμονες, όπως ο W. Salzenberg που συνέγραψε το περίφημο Παλαιά χριστιανικά μνημεία της Κωνσταντινούπολης από τον 5ο έως τον 12ο αιώνα (Alt-christliche Baudenkmale von Constantinopel von V. bis XII Jahrhundert, Βερολίνο 1854), στο οποίο μεγάλο μέρος, κείμενο και σπουδαίες σχεδιαστικές απεικονίσεις, αναφέρεται στην Αγία Σοφία. Έκτοτε το ενδιαφέρον για το μνημείο ήταν και παραμένει παγκόσμιο, ενώ η έως σήμερα βιβλιογραφία είναι απέραντη.

Εικοσιπέντε χρόνια μετά από τη δημοσίευση του λευκώματος του Fossati, ο πλανήτης Άρης βρισκόταν σε μια εξόχως ευνοϊκή θέση για αστρονομική παρατήρηση, χάρις στην οποία ο G. V. Schiaparelli, εργαζόμενος με κατάλληλο τηλεσκόπιο στο Μιλάνο, συνέταξε τον χάρτη των περίφημων «διωρύγων» του πλανήτη, οι οποίες, μαζί με τους υποθετικούς δημιουργούς των θα ήταν επί πολλές δεκαετίες ένα από τα προσφιλέστερα στο ευρύ κοινό ζητήματα επιστημονικών συζητήσεων. Η θεωρία αυτή καταρρίφθηκε μόλις το 1909, χάρις στην εξέλιξη των τηλεσκοπίων και την συστηματική εργασία του Eugène Michel Antoniadi (1870-1944), του ειδικότερου για τον Άρη αστρονόμου της Γαλλίας, ο οποίος μνημονεύεται έως σήμερα όχι μόνον για τα αστρονομικά του επιτεύγματα και τις πολυάριθμες δημοσιεύσεις του, αλλά και ως διακεκριμένος σκακιστής. Ο ταλαντούχος αυτός επιστήμων, που γεννήθηκε στην Πόλη, όπου άρχισε και τις σπουδές του, αλλά έζησε και πέθανε στην Γαλλία, συνδέεται με το προκείμενο, μόνον επειδή ως ερασιτέχνης αρχαιολόγος με σπουδές στην Αρχιτεκτονική έφερε εις πέρας την εξοχότερη περί Αγίας Σοφίας μονογραφία: Έκφρασις της Αγίας Σοφίας (900 σελίδες, εκατοντάδες σχέδια και πίνακες), Αθήνα 1907-1909. Το πολύτομο αυτό σύγγραμμα θα ήταν ακόμη η τελευταία λέξη για το θέμα, εάν δεν είχαν προκύψει πολλά νέα δεδομένα με τις συνθήκες έρευνας που δημιουργήθηκαν όταν η Τουρκική Δημοκρατία αποφάσισε με προτροπή του Κεμάλ την κατάργηση της λειτουργίας του μνημείου ως τζαμιού και την απόδοσή του ως μουσείου στην παγκόσμια κοινότητα. Σε αυτό το πλαίσιο ο Thomas Whittemore, αμερικανός αρχαιολόγος, σχεδόν συνομήλικος του Αντωνιάδη και φίλος του Κεμάλ, ως διευθυντής του άρτι ιδρυθέντος Αμερικανικού Ινστιτούτου Βυζαντινών Σπουδών, με έδρα στο Dumbarton Oaks της Ουάσινγκτον, άρχισε με άδεια της Τουρκικής Κυβέρνησης εκτεταμένο πρόγραμμα συντήρησης του κτηρίου και ειδικότερα των ψηφιδωτών παραστάσεων. Με τη βοήθεια τεκμηρίων μεταξύ των οποίων και τα αδημοσίευτα σχέδια των Fossati, οι περισσότερες παραστάσεις βρέθηκαν πάλι και αναδείχθηκαν, ενώ κάποιες άλλες δεν βρέθηκαν και ό,τι μόνο απομένει από αυτές είναι οι πολύτιμες αν και όχι τέλειες απεικονίσεις τους. Στο ίδιο πλαίσιο άρχισε τότε από τον R. Van Nice ένα υπερδεκαετές πρόγραμμα λεπτομερέστατης σχεδιαστικής τεκμηρίωσης με τη βοήθεια τοπογραφικών οργάνων και ικριωμάτων, του οποίου τα αποτελέσματα κατά πολύ υπερέβησαν το αντίστοιχο μέρος της εργασίας του Αντωνιάδη. Άλλοι άξιοι μνείας σταθμοί της μελέτης του μνημείου είναι τα βιβλία του Cyril Mango και η έξοχη μονογραφία του Rowland Mainstone.

Προς το γύρισμα στην τρίτη χιλιετία τα πράγματα δεν βελτιώθηκαν. Παλαιά προβλήματα από κατεισδύοντα στους θόλους ύδατα και από άλλα ανερχόμενα μέσα από τους αρμούς των δαπέδων απαιτούσαν μια νέα προσπάθεια αντιμετώπισης μαζί με άλλα στατικής φύσεως, σχετιζόμενα με την ασφάλεια έναντι σεισμικών διεγέρσεων. Αυτά όλα οδήγησαν σε ένα ακόμη πρόγραμμα (1994 κ.ε.) με συμμετοχή τριών ιδρυμάτων (Πανεπιστήμιο Bogazici University, Πανεπιστήμιο Princeton, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο), ενώ αργότερα (1999) άρχισε η διαδικασία για μια Ελληνοτουρκική συμφωνία συνεργασίας σε θέματα μνημείων, η οποία κυρώθηκε τον Ιούλιο 2001. Πολύ σύντομα νέα ικριώματα υψώθηκαν έως το κάτω μέρος του τρούλου, δείγματα των δομικών υλικών συγκεντρώθηκαν, και διάφορες εργαστηριακές εξετάσεις εκτελέσθηκαν με κάθε προσοχή. Τα αποτελέσματα ήταν πολύ χρήσιμα για τον σχεδιασμό των αναγκαίων μέτρων και η όλη επέμβαση στις ράχες των θόλων έγινα με όλους τους κανόνες. Μετά την απομάκρυνση και των ικριωμάτων όλα έδειχναν αισιόδοξα προς ένα καλύτερο μέλλον για τις τύχες του μνημείου, την παγκόσμια προβολή του, την επισκεψιμότητά του και την πρόσληψή του ως μνημείου της Παγκόσμιας Κληρονομιάς. Αλλά, όπως όλοι σήμερα γνωρίζουν, η προοπτική για το τελευταίο desideratum ήταν πολύ διαφορετική: επιστροφή στη νοοτροπία των προ τανζιμάτ σουλτάνων.