La restauración del templo, inaugurado durante la navidad del año 537 y convertida en museo en 1935, se inició en 1993 -un año después de que el monumento fuese declarado Patrimonio Mundial de la Humanidad junto al resto del barrio histórico de Estambul-. En el año 2008 se aceleraron los trabajos gracias al apoyo económico que aportó la agencia encargada de los proyectos de la Capital Cultural Europea 2010, que aportó tres millones de euros.

La zona que ha necesitado más dedicación ha sido la cúpula, de 31,5 metros de diámetro, cuyos mosaicos dorados han sido sometidos a un completo proceso de limpieza y restauración. También se destapó el mosaico de la cara de uno de los serafines alados situados en las cuatro pechinas que sujetan la cúpula principal.

Respecto al interior del templo, se han restaurado 600 metros cuadrados de mosaico y las caligrafías islámicas que decoran los medallones y paredes, y en el exterior se han limpiado las fachadas y reforzado los techos de las cúpulas con 50 toneladas de plomo.

A partir del próximo año se podrá visitar también el baptisterio junto a su atrio, donde se encuentra una enorme pila bautismal del siglo VI tallada en un sólo bloque de mármol.