Sotto le fondazioni dell’attuale chiesa ci sono quelle antiche, entrambe (quella antica e quella attuale) sorgevano a circa cento metri dalla chiesa di Sant’Irene e la chiesa di Santa Sofia fu costruita in conseguenza alla necessità di creare una cattedrale che potesse rivaleggiare con le cattedrali di Antiochia e Nicomedia (che erano le due diocesi più importanti dell’Anatolia). La chiesa di Sant’Irene non si prestava per questo scopo (sebbene fosse nata come chiesa cattedrale), quindi Costantino decide di costruire questa cattedrale ma non fa in tempo e per questo la completa il figlio.
Questa chiesa iniziale è stata costruita sulla base di scavi condotti negli anni 35-45 da un’archeologo tedesco, che trascorse questo decennio a scavare l’area antistante la chiesa (unica sezione antica ancora visibile); questo archeologo scava nella zona antistante la chiesa, in modo da ricostruire il porticato, giungendo alla conclusione che tale porticato apparteneva alla chiesa antica ma era stato danneggiato da un’incendio (in seguito Teodosio II operò una ricostruzione della chiesa).
Studiando la chiesa l’archeologico tedesco si rende conto che sotto l’attuale chiesa doveva esserci l’antica basilica, quindi entrando nell’attuale chiesa di Giustiniano ottiene la possibilità di fare dei saggi di scavo che vengono effettuati in determinati punti che gli consentono di individuare un tratto di muro e pensa che potesse essere la base di appoggio del colonnato centrale, mentre pensa che un’altro tratto di muro scoperti in questi saggi di scavo potesse appartenere al muro di entrata, quindi determina il perimetro murario considerando che l’abside Giustinianea rimane lo stesso di quella di Costanzo II; individuando questi muri individua sulla base degli scavi ha una idea precisa di questo settore della chiesa; rimane ancora da determinare l’ampiezza delle navate, in questo caso l’archeologo opera un ragionamento basato altre confronto con altre chiese costantiniane (un ruolo importante nello sviluppo dell’architettura dell’architettura costinianea in città dovettero esercitarle alcune città vicine, in particolare Salonicco ha una chiesa che si chiama San Demetrio, anch’essa di cinque navate), perciò pensa che la larghezza delle navate laterali sia metà di quella centrale, ottiene quindi un’ampiezza di 50 metri che non invadeva altre costruzioni che si trovavano nell’area. Con questo ragionamento basato in parte sugli scavi riesce a determinare gran parte della chiesa, si trattava di determinare le strutture comprese tra il muro esterno e lo spazio in cui stava scavava; anche in questo caso il confronto con altre chiesa coeve lo aiuta; per quanto riguarda il nartece si rifà agli esempi di Salonicco identificando la zona del nartece; la descrizione delle fonti che indicano la presenza di un quadriportico, lo guidano in questa opera di ricostruzione e sempre con questo metodo comparativo e tra gli esempi possibili che avrebbero potuto ispirare la chiesa di Santa Sofia prende la chiesa della Natività a Betlemme (patrocinata dalla madre di Costantino) e la somiglianza era dovuta al fatto che il portico era a sua volta proceduto da un’altro porticato esterno, preceduto da una scalinata.
Questa è l’unica chiesa costruita da Costantino a Costantinopoli e corrisponde a dettami che aveva imposto (ovvero ampie dimensioni, quadrangolare, preceduta da un portico antistante con nartece).