وحدثت أولى الإصلاحات الكبرى فى آيا صوفيا على عهد الإمبراطور بازيل الثاني. فقد تداعى جزء من القبة أثناء الزلزال الذى وقع فى ٢٦ أكتوبر سنة ٩٨٦، فامر الإمبراطور بإصلاحه. (والراجح أن الركائز المحلّقة الفجة فى الواجهة الغربية ترجع إلى هذا العهد" انظر Die Grabungen in: A.M.Schneider Westhof der Sophienkirche برلين سنة ١٩٤١، ص ٣٢ وما بعدها)؛ وفى سنة ١٢٠٤ حل بالكنيسة دمار شديد أثناء نهب اللاتين للقسطنطينية، فقد أعملوا فيها السلب فى قسوة وجور حتى لقد استخدموا الملابس والأوانى المقدسة فى تنظيف جياد الغزاة وإطعامها. ومع ذلك فقد أصبحت آيا صوفيا أهم كنيسة للدولة الجديدة وأهم مكان يتوج فيه ملوكها. وكانت أوسع تغييرات اتخذت بعد فى أيام البوزنطيين هى التى حدثت فى القرن الرابع عشر. ففى النصف الأول من هذا القرن دعمت الجدران من جميع الجهات، ودعم الجناح الشرقى خاصة بركائز عالية عريضة من الخارج.
وليس بين أيدينا أية رواية إسلامية فى وصف آيا صوفيا من الداخل أيام البوزنطيين. وأول مسلم ذكر الكاتدرائية بالتفصيل هو أحمد بن رسته (ص ١٢٤ وما بعدها؛ ترجمة. G Wiet، القاهرة سنة ١٩٥٥، ص ١٣٩ وما بعدها)، وقد عاش ابن رسته حوالى سنة ٢٩٠ هـ (٩٠٢ - ٩٠٣ م)، ولكنه يستقى وصفه من هارون بن يحيى الذى كان أسيرا فى القسطنطينية ردحا من الزمن فى القرن التاسع الميلادي. والحق إن هارون لم يصف البناء الذى أسماه الكنيسة العظمى (مكالى إكليزيا)، بل وصف مركب الإمبراطور البوزنطى فى ذهابه إلى الكنيسة يوم عيد وصفا تفصيليا حيا، وقد اقتيد أسرى الحرب المسلمون إلى الكنيسة (وربما كان المقصود بذلك حرمها) وهناك حيوا الإمبراطور هاتفين: "أطال الله بقاء الملك سنين كثيرة"(الكتاب المذكور ص ١٢٥). ومن التفصيلات التى ذكرها أمر له أهمية خاصة: وهو قوله أنه كان وراء "المجلس"(والمظنون أنه يقصد بذلك المقاعد) أربعة وعشرون باباً صغارًا كل