Ayasofya, 1453 yılında Fatih Sultan Mehmet’in İstanbul’u fethetmesinden sonra camiye dönüştürüldü. Ayasofya o sıralar harap olmuş bir haldeydi. Fatih Sultan Mehmet, Ayasofya’nın temizlenmesini ve camiye dönüştürülmesini emretti. Caminin ilk minaresi Fatih Sultan Mehmet döneminde tuğla kullanılarak yapıldı. Diğer bir minareyi ise II. Bayezid yaptırdı. Kanuni Sultan Süleyman ise 16. yüzyılda fethetmiş olduğu Macaristan’dan iki dev kandil getirdi. bu kandiller mihrabın iki yanında durmaktadır.
Ayasofya tarihi boyunca sayısız onarım ve restorasyon çalışmaları gördü. II. Selim döneminde (1566–1574) cami yapısal olarak dayanıksız bir hal aldı. O yıllarda dünyanın ilk deprem mühendislerinden biri sayılan Osmanlı baş mimarı Mimar Sinan, camiye dış istinat yapıları (payanda) ekledi ve sağlamlaştırdı. Mimar Sinan ayrıca, kubbeyi sağlam bir hale getirdi ve hünkar mahfili ile birlikte binanın batı kısmına iki geniş minare yaptı. 1577 yılında ise güneydoğu kısmına II. Selim’in türbesini ekledi.
Ayasofya’ya Osmanlı döneminde müezzin mahfili, mermerden minber, vaaz kürsüsü ve hünkar mahfiline açılan bir galeri eklendi. I. Mahmud’un emriyle 1739’da bina restore edildi. Bu restorasyon ile birlikte bir kütüphane ile binanın bahçesine bir imarethane, bir medrese ve bir şadırvan ekletti. Aynı dönemde bunlara ek olarak yeni bir mihrap ve yeni bir sultan galerisi yapıldı.
Sultan Abdülmecit, Ayasofya’yı 1847 ile 1849 yılları arasında Gaspare Fossati ve kardeşi Giuseppe Fossati’ye restore ettirdi. Başlangıçta sütunlar, kubbe ve tonoz sağlamlaştırıldı. Daha iç ve dış dekorasyon yenilendi. Kazasker Mustafa İzzed Efendi’nin eseri olan önemli isimlerin hat sanatıyla yazılı olduğu yuvarlak dev tablolar yenilenip sütunlara asıldı. Daha birçok yenileme işlemi yapıldıktan sonra minarelerin boyları eşitlendi. Çalışmalar bittikten sonra Ayasofya Camii 13 Temmuz 1849’da halka açıldı. Ayasofya tarihi boyunca yapılan restorasyon çalışmalarının en etkili ve güzel olanları Osmanlı döneminde yapıldı.
Ayasofya tarihi boyunca hem kilise, hem cami hem de müze oldu. Birçok farklı ırka ve iki ayrı dine ev sahipliği yaptı. Böylece Ayasofya tarihi ve ihtişamı ile herkesi büyülemeyi başardı.