Για περισσότερο από μια χιλιετία, ως και την άλωση της από τους Τούρκους το 1453, η Κωνσταντινούπολη αποτελούσε ένα από τα μεγαλύτερα αστικά κέντρα του Χριστιανισμού. Στην καρδιά της Πόλης δέσποζε η Αγία Σοφία αφιερωμένη στην ιερή σοφία του Θεού. Το σημερινό οικοδόμημα χρονολογείται από την περίοδο του αυτοκράτορα Ιουστινιανού, τον 6ο αιώνα μ. Χ. Τα θεμέλια τέθηκαν στις 23 Φεβρουαρίου του 532. Σε σύγκριση με τα οικοδομήματα που προηγήθηκαν, η βασιλική (αρχιτεκτονική εκκλησιαστικού κτιρίου) του Ιουστινιανού θεωρήθηκε θαύμα της αρχιτεκτονικής και μνημείο της σπουδαίας αυτοκρατορίας του. Κανένας δεν αμφισβητεί ότι η Αγία Σοφία αποτελεί, πράγματι, αριστούργημα. Ωστόσο, αυτό που βρίσκεται κάτω από το έδαφος προκαλεί εξίσου αν όχι ακόμα μεγαλύτερο ενδιαφέρον από το ίδιο το υπέργειο οικοδόμημα.
Υπάρχουν στοιχεία για την ύπαρξη εκτεταμένου υπόγειου χώρου κάτω από το πάτωμα της Αγίας Σοφίας. Για παράδειγμα, είναι γνωστό πως υπήρχαν κρύπτες και κατακόμβες, κατά την πρώτη Χριστιανική περίοδο. Η συνήθεια των Χριστιανών να θάβουν τους νεκρούς τους σε μυστικά οστεοφυλάκια και κρύπτες κάτω από τη εκκλησία ήταν γνωστή και έμοιαζε με την παγανιστική συνήθεια να θάβουν τους νεκρούς τους έξω από τα τείχη της πόλης. Δύο από τις σπουδαιότερες χριστιανικές εκκλησίες του 6ου αιώνα μ.Χ, η εκκλησία του Αγίου Πέτρου στη Ρώμη και ο Πανάγιος Τάφος στην Ιερουσαλήμ διέθεταν, επίσης, κρύπτες. Ο Άγιος Πέτρος χτίστηκε πάνω σε κοιμητήριο και κοντά σε ετρουσκικό ναό, ενώ ο Πανάγιος Τάφος χτίστηκε πάνω από ναό αφιερωμένο στη θέα Αφροδίτη.
Αφού η Αγία Σοφία ήταν από τις σημαντικότερες εκκλησίες του Χριστιανισμού είναι εύλογο να υπάρχει ανάλογος υπόγειος χώρος, όπως ακριβώς στις δύο προαναφερθείσες εκκλησίες. Επίσης είναι πιθανό, όπως συνέβαινε με τις δυο εκκλησίες στη Ρώμη και την Ιερουσαλήμ, να χτίστηκε και η Αγία Σοφία πάνω σε παγανιστικό ναό. Παρόλα αυτά, ελάχιστα γνωρίζουμε για το τι ακριβώς βρίσκεται κάτω από την εκκλησία, παρά τις εκτεταμένες έρευνες που ξεκίνησαν το 1935.
Σύμφωνα με τον μύθο, ο σατανάς φυλακίστηκε κάτω από την Αγία Σοφία. Βάσει της παράδοσης, ιερείς έκρυψαν βυζαντινά κειμήλια σε κρύπτες κάτω από την εκκλησία, λίγο πριν από την άλωση της Πόλης. Ωστόσο, όλα αυτά θεωρούνται αβάσιμες ιστορίες. Κάτω από το έδαφος και σε κοντινή απόσταση από την εκκλησία, βρίσκεται η Βασιλική Κινστέρνα ή Κιστέρνα, γνωστή πλέον, ως Γερεμπατάν Σαράι ή Γερεμπατάν Σαρνιτζί. Πρόκειται για τη μεγαλύτερη υπόγεια δεξαμενή νερού που κατασκευάστηκε στην Κωνσταντινούπολη, διαστάσεων περίπου 138 × 64.5 μ.. Βρίσκεται σε βάθος 150 μέτρων, νοτιοδυτικά της εκκλησίας, χτίστηκε από τον αυτοκράτορα Ιουστινιανό Ά, το 532 μ. Χ. και καλύπτει έκταση 1.000 τετραγωνικών μέτρων.
Η κινστέρνα είχε, αρχικά, 336 μαρμάρινους κίονες ύψους 8 μέτρων, τοποθετημένους σε 12 σειρές με 28 κίονες η καθεμία, σε απόσταση 4 μέτρων η μία από την άλλη. Ήταν από τα σημαντικότερα δημόσια έργα του Ιουστινιανού, με σκοπό την ύδρευση της Πόλης και αποτελούσε εξαίρετο δείγμα βυζαντινής μηχανικής. Το 1937 άρχισαν έρευνες στο υπέδαφος της Αγίας Σοφίας. Οι έρευνες διακόπηκαν, λόγω της έναρξης του Β´ Παγκόσμιου Πολέμου. Το 1945 αποφασίστηκε να αντληθεί το νερό κάτω από την εκκλησία ώστε να διευκολυνθούν οι έρευνες. Η στάθμη του νερού όμως δεν κατέβηκε ποτέ και η μηχανή άντλησης κάηκε λόγω της υπερπροσπάθειας, τερματίζοντας και αυτή την απόπειρα. Το 2005 άρχισαν έρευνες στα πηγάδια της περιοχής, με σκοπό να εξεταστεί ο τρόπος με τον οποίο λειτουργούσε το δίκτυο των τούνελ, αλλά και της υδροδότησης του κτιρίου και της γύρω περιοχής.
Η έρευνα εντόπισε εννιά πηγάδια στον περιβάλλοντα χώρο της εκκλησίας, πέντε εκ των οποίων είχαν ακόμη νερό, ενώ δύο εξερευνήθηκαν πλήρως. Βρέθηκαν επίσης τούνελ που λειτουργούσαν ως σύστημα εξαερισμού και αφύγρανσης. Το 2009 ο κινηματογραφιστής Goksel Gulensoy γύρισε ντοκιμαντέρ σχετικά με το υπέδαφος της Αγίας Σοφίας. Η ομάδα του Gulensoy ερεύνησε δύο δεξαμενές που συνέδεαν την εκκλησία με την υπόγεια κινστέρνα και το Τοπ Καπί (τουρκ. Topkapı Sarayı), ανάκτορο που βρίσκεται χτισμένο σε λόφο με θέα τον Βόσπορο. Στον πάτο της μιας εκ των δυο δεξαμενών, οι δύτες βρήκαν δύο κομμάτια ξύλου, ένα κουβά και έναν ανθρώπινο σκελετό.
Στη δεύτερη δεξαμενή, η ομάδα ανακάλυψε πολλά φιαλίδια που χρονολογούνταν από το 1917, γυαλί από τους πολυελαίους της εκκλησίας, μια αλυσίδα με δυο κρίκους στην άκρη και κομμάτια από βιτρό. Εικάζεται ότι τα φιαλίδια βρέθηκαν εκεί, όταν βρετανοί στρατιώτες προσπάθησαν να πάρουν αγίασμα αφού εισέβαλαν στην Πόλη το 1917. Η έρευνα του 2005 και το ντοκιμαντέρ του 2009 είναι η αρχή των ερευνών. Θα χρειαστούν περαιτέρω έρευνες προς αυτή την κατεύθυνση ώστε να υπάρξουν ευρήματα που θα οδηγήσουν σε ασφαλή συμπεράσματα. Μέρος της βασιλικής κινστέρνας.
