Ayasofya yüzyıllar boyunca depremlerden, yangınlardan ve vandallıktan dolayı ağır hasarlar görmüştür. 3 adet çok büyük değişikliğe maruz kaldı: başlangıçta 537 senesinde kilise olarak inşa edildi, daha sonra Kostantinopolis’in fethi ile 1453 senesinde camiye çevrildi ve en son da 1935 sw müze olarak yeniden açıldı.

Ayasofyanın ilk restorasyon emrini 1847 senesinde Sultan Abdülmecid vermişti. Tüm sütunlar sağlamlaştırıldı, tonozlar ve kubbe birleştirilerek güçlendirilidi, eski avizeler yerine yeni sallantılı olan avizeler kondu, devasa boyda yuvarlak metal çerçeveli diskler sütunların üzerlerine asıldı. Tüm bu iç ve dış restorasyon ve dekorasyon çalışmalarını 800 işçi 8 senede tamamlayabildi. Tüm bu yenilemelerden 1 yıl sonra 1850’de minareler, mimbar ve mihrab da onarıldı ve yenilendi. 

Ayasofya’nın bakır çatısında bazı çatlaklar vardı dolayısıyla kubbe 1997-2002 seneleri arasında tamir edildi. Ayasofya 4.yy a tarihlenen çok sayıda mozaik ile dekore edilmişti. Bu mozaiklerin büyük çoğunluğu Ayasofya camiye çevrildiğinde sıva ile kaplandığından günümüze kadar korunabilmiştir.

Tüm bu restorasyon ve yenileme çalışmaları tamamlandıktan sonra, 2012 senesinde tüm süs eşyaları ve iç yapıdaki mermer bloklar temizlenerek restore edildi.  Toplamda 600m2 mozaik ve duvarlarda asılı olan islami kaligrafiler  onarıldı.

Günümüzde halen Ayasofya’nın bazı yerlerinde Istanbul’un nemli havasından kaynaklanan gözle görülür lekeler bulunmakta. Muhtemelen tam anlamıyla bitirilmiş eksiksiz restorasyon asla mümkün olamayacak.