Ο ναός της του Θεού Σοφίας (Αγία Σοφία) ανεγέρθηκε στον 7ο ή τον 8ο αι. πάνω στα ερείπια της παλαιότερης πεντάκλιτης βασιλικής και υπήρξε ο μητροπολιτικός ναός της Θεσσαλονίκης σε όλη τη βυζαντινή περίοδο, με εξαίρεση την εικοσαετία της Λατινοκρατίας (1204-1224), οπότε και έγινε καθεδρικός ναός των Λατίνων. Γύρω από το μνημείο διαμορφώνεται αύλειος χώρος που μαζί με το λεγόμενο αγίασμα του Αγίου Ιωάννη Προδρόμου συνιστούν ενιαίο αρχαιολογικό χώρο.
Ο ναός ακολουθεί τον αρχιτεκτονικό τύπο της τρουλαίας βασιλικής με περίστωο, μια απλοποιημένη εκδοχή της Αγίας Σοφίας Κωνσταντινούπολης. Κυριαρχεί ο μεγάλος τρούλος, πάνω σε βαριά, κυβική βάση που φέρεται από τέσσερις βαθιές καμάρες. Οι καμάρες πατούν σε τέσσερεις ομάδες στηριγμάτων, σύνθετους πεσσούς και κίονες, που ορίζουν τον κεντρικό χώρο και σχηματίζουν τέσσερα υποτυπώδη γωνιακά διαμερίσματα. Στα ανατολικά του τρουλαίου πυρήνα αναπτύσσεται τριμερές ιερό ενώ από τις υπόλοιπες τρεις πλευρές περιβάλλεται από διώροφο περίστωο.
Από τον αρχικό ψηφιδωτό διάκοσμο του ναού διασώθηκαν παραστάσεις στο ιερό και στον τρούλο, όλες μεταγενέστερες της ίδρυσής του. Στην αψίδα του ιερού κυριαρχεί η μορφή της Παναγίας, καθισμένης σε θρόνο, με τον Χριστό στην αγκαλιά. Το ψηφιδωτό αυτό αντικατέστησε μεγάλο εικονομαχικό σταυρό, που διακρίνεται ακόμη αχνά στο χρυσό βάθος. Το κέντρο της καμάρας του ιερού καταλαμβάνει κυκλικό μετάλλιο με σταυρό, ενώ στις απολήξεις της καμάρας αναπτύσσεται τάπητας από επάλληλα τετράγωνα, που εγγράφουν σταυρούς και φύλλα φοίνικα. Στη βάση αυτών των συνθέσεων αναπτύσσεται επιγραφή με τα μονογράμματα των συναυτοκρατόρων Κωνσταντίνου Στ΄ και Ειρήνης και του επισκόπου Θεόφιλου, που είχε λάβει μέρος στην Ζ’ Οικουμενική Σύνοδο, της Νίκαιας, το 787.
Στον τρούλο εικονίζεται η Ανάληψη: στο κέντρο ο Χριστός ευλογεί, καθισμένος σε ουράνιο τόξο που ανεβάζουν στον ουρανό δύο άγγελοι. Γύρω του στέκουν έκπληκτοι δώδεκα απόστολοι, η δεόμενη Παναγία και δύο άγγελοι που την περιστοιχίζουν. Το Όρος των Ελαιών αποδίδεται σαν μια ζώνη πολύχρωμων στρογγυλεμένων βράχων, ενώ δέντρα, ελιές και φοίνικες, περιβάλλουν τις επίγειες μορφές. Από τις τοιχογραφίες του 11ου αι στο νάρθηκα του ναού διατηρούνται μορφές μοναχών, μεταξύ των οποίων τοπικοί άγιοι της Θεσσαλονίκης, όπως η Αγία Θεοδώρα. Στο εσωτερικό του ναού εντοπίστηκαν ταφές των παλαιολόγειων χρόνων, που έχουν αποδοθεί σε μητροπολίτες και κληρικούς.
Ο ναός συνέχισε να λειτουργεί ως ορθόδοξη μητρόπολη για έναν σχεδόν αιώνα μετά την οθωμανική κατάκτηση. Μετατράπηκε σε μουσουλμανικό τέμενος το 1523/4 (σύμφωνα με την χαμένη σήμερα επιγραφή της εισόδου) και παρέμεινε χώρος λατρείας για τους μουσουλμάνους με την ονομασία Ayasofya Camii έως την απελευθέρωση της Θεσσαλονίκης το 1912, οπότε και αποδόθηκε εκ νέου στη χριστιανική λατρεία. Εκτεταμένες ζημιές υπέστη το κτίσμα από την πυρκαγιά του 1890, ενώ μεγάλης κλίμακας εργασίες εξωραϊσμού πραγματοποιήθηκαν από τις οθωμανικές αρχές την περίοδο 1908-1910 υπό τον βυζαντινολόγο Κάρολο Ντηλ. Κατά τη φάση λειτουργίας του ως τεμένους έφερε στη δυτική πλευρά του προστώο με οξυκόρυφα τόξα και οκτώ κίονες, αμέσως νότια του οποίου υψωνόταν τυπικής μορφής μιναρές. Στη ΒΔ γωνία του τεμένους υπήρχε πύργος ανόδου προς τα υπερώα, ο οποίος κατά τη Θεοχαρίδου σχετίζεται με τον αρχικό μιναρέ. Στο προαύλιο του τεμένους υπήρχαν ακόμη συνεχόμενα στην πρόσοψη οικοδομήματα που χρησίμευαν ως οθωμανικά σχολεία και νοσοκομεία, που καταστράφηκαν από την πυρκαγιά του 1890. Αντίθετα ο μιναρές της ΝΔ γωνίας κατεδαφίστηκε στα 1925 και το δυτικό προστώο το 1948, ενώ διατηρείται μέχρι σήμερα ο ΒΔ πύργος-κλιμακοστάσιο.
Ο ναός της Αγίας Σοφίας συγκαταλέγεται στα Μνημεία Παγκόσμιας κληρονομιάς της UNESCO.
