土耳其历史悠久，历史上两个著名的帝国，拜占庭帝国与奥斯曼帝国都在这块土地上诞生和扩张，也有多个外族入侵的年代。因此伊斯坦布尔的历史十分复杂和曲折。历史上每次政权易手，新政权都没有对大教堂进行破坏，反而进行改造和扩建。这使大教堂留下了一千五百年中各个时代的历史印记。今天的游客可以在大教堂内看到不同宗教、不同民族留下的印记。比如，在1500年前就建造出没有支柱、直径达30米的巨大圆顶，凸显了当年拜占庭的高超建筑技术；又比如，大教堂外的四座高大的叫拜楼以及内部的敏拜尔是典型的穆斯林的建筑结构；大厅的大理石柱是典型的拜占庭风格，而大理石护栏上的雕花却是土耳其本地的洛可可风格。
值得特别提一下的是，在大教堂被改为清真寺时代留下的历史印记。大家知道穆斯林是反对偶像崇拜的，在这个时期他们用石膏等材料将上一个时代的马赛克彩画覆盖，然后在上面再画上穆斯林风格的图案或文字。这些被掩盖的马赛克彩画描述的是基督或皇帝皇后，妥妥的都算是偶像。这些彩画历尽数十年才完成，是拜占庭时代的艺术精华。当然由于这些彩画被石膏覆盖了几百年，在客观上起到了保护它们的作用。到了近代，提倡世俗化的土耳其第一任总统凯末尔下令，将索菲亚大教堂改为博物馆，供来自世界各地的游客拜访，不再做为宗教建筑使用。根据记载考古专家们猜测大教堂的墙壁上应该有大量的拜占庭时代的绘画，他们将墙壁上的石膏层揭开，果然发现了很多精美马赛克彩画。其中，有多幅马赛克彩画十分完整，包括那幅著名的三圣像彩画，虽然画的下部损毁严重，但是三圣像的头部保存完好。它们不仅有很高的艺术价值，还由于携带了大量的历史信息，具有很高的历史价值。
是否继续揭开大教堂其它部分的石膏层是个两难的选择。如果揭开这些石膏层无疑会发现更多的拜占庭时代的彩画，但与此同时又会破坏穆斯林时代的图案与文字。这些图案与文字很多都有500多年的历史，一样具有非常高的艺术与历史价值。而且揭开石膏层是个不可逆的过程，揭开了就无法恢复。特别是，如果揭开了某处的石膏层但里面并没有彩画，那么就会得不偿失。大教堂的大圆顶，有非常美丽的伊斯兰风格的图案和书法。但是专家们相信，它们里面的一层，一定有重要的东正教绘画，但这些绘画是否完好就不得而知了。
