Ночью 28 мая 1453 года в соборе прошло последнее христианское богослужение. На следующий день собор уже грабили турки, захватившие Константинополь во главе с султаном Мехмедом II. Главный храм поверженной Византии переделали в мечеть, пристроив минареты и заштукатурив православные мозаики. Купол украсили суры из Корана, в одной из стен устроили михраб — нишу, указывающую направление на Мекку. Традиционные для православных церквей свечи заменили люстрами из лампад. Собор Святой Софии стали называть Айя-София.
Собор исполнял роль мечети почти 500 лет. Он стал прототипом для многих мечетей Стамбула, в том числе для Голубой мечети, которая находится напротив Айя-Софии.
После свержения монархии и провозглашения Турецкой республики Глава правительства Кемаль Ататюрк в 1935 году своим декретом превратил мечеть в музей. Слои штукатурки с мозаик были расчищены. В настоящее время на стенах храма можно видеть и изображения Иисуса Христа и Богоматери, и цитаты из Корана на куполе и на четырёх больших щитах овальной формы.
