W latach 1847–1849 miał miejsce gruntowny remont, prowadzony pod nadzorem szwajcarskich architektów, braci Giuseppe i Gasparego Fossati. W czasie prac odsłonięto i odrysowano zachowane mozaiki, po czym zatynkowano je z powrotem. Bracia Fossati w czasie prac remontowych pozbawili mozaiki serafinów ich twarzy, a także odtworzyli dwie z czterech oryginalnych mozaik, które nie zachowały się do tamtych czasów. W czasie tego remontu dodano także osiem wielkich medalionów z kaligrafią arabską, które Kazasker Izzet Efendi wykonał w miejsce starszych medialionów.
W 1894 Hagia Sophia poważnie ucierpiała w trzęsieniu ziemi, które zniszczyło część dekoracji.
Po upadku imperium osmańskiego Turcja stała się świecką republiką. W związku z tym Mustafa Kemal Atatürk w 1934 polecił, aby świątynia, która przez 916 lat służyła chrześcijanom, a przez 481 lat muzułmanom, została zmieniona w muzeum. Z posadzki zdjęto wówczas dywany, a ze ścian tynk, odsłaniając niektóre mozaiki. Odsłonięte zostały głównie mozaiki w górnych galeriach, natomiast te w głównej nawie pozostały w większości zakryte.