İznik merkezinde Atatürk Caddesi ile Kılıçarslan Caddesi’nin kesiştiği yerde bulunan İznik Ayasofya’sının yapımı ile ilgili bir kitabe bulunmamaktadır. Büyük olasılıkla bu yapı Roma dönemine ait bir yapının temelleri üzerine yapılmıştır. Kilisenin yapımı ile ilgili çeşitli iddialar ortaya atılmıştır. Bunlara göre IV-VIII. yüzyıllar arasına tarihlendirilmektedir. O. Wulf, C. Gurlitt ve N. Brunoff yapıyı ayrı ayrı tarihlendirmektedirler. Wulff VIII. yüzyıl, C. Gurlitt IV. yüzyıl tarihleri üzerinde durmuştur. N. Brunoff ise kilisenin dört ayrı yapı dönemi olduğunu ileri sürmüştür. Yard. Doç. Dr. Bedri Yalman’ın burada yaptığı araştırmalarda VIII. yüzyıla ait bulgularla karşılaşılmıştır. Orhan Gazi tarafından İznik’in ele geçirilmesinden sonra camiye çevrilmiş, o dönemde konulan bir kitabe sonradan kaybolmuştur. Kanuni Sultan Süleyman (1520-1560) zamanında Mimar Sinan bu yapıda büyük değişiklikler yapmıştır.
İstanbul Alman Arkeoloji enstitüsü burada 1953’te bir kazı yapmış ve Bizans dönemine ait renkli taban mozaikleri ile sıva altında kalmış freskleri ortaya çıkarmıştır. Taban mozaiklerinin XI. yüzyıldan sonra yapıldığı sanılmaktadır.
İznik Ayasofyası’nın Bizans kaynaklarında ismi ilk kez 787 yılında İznik’te toplanan 7. Ruhani Konsül ile birlikte geçmiştir.11 Ekim 787’de patrik Tarasios başkanlığında 350 piskopos ve çok sayıda keşişin katıldığı konsül burada toplanmıştır.
Hıristiyan inancına göre kutsal bilgelik olarak isimlendirilen bu kilise, üç nefli olup, doğu-batı uzantısında dikdörtgen planlı bazilika tipinde yapılmıştır. İznik Ayasofyası’nın bu plan düzeni İstanbul’da V. yüzyılda yapılmış olan Studios Manastır Kilisesi ve Meryem-Theotokos-Khalkoprateia Kilisesi (Acem Ağa Mescidi) ile büyük benzerlik göstermektedir.
Yapının genişliği 9.45 m. ölçüsünde olup, orta bölümün doğusuna yarım silindirik yedi köşeli apsid eklenmiştir. Kilisenin orta ve yan sahınlarına narteksten açılan birer kapı ile girilmektedir. Girişinden sonra naosta (ibadet mekanı) iki yanlardaki iki tuğla paye, ikişer sütun ve duvar uzantıları birbirlerine tuğla kemerlerle bağlanmış, üzeri de düz bir çatı ile örtülmüştür. Buradaki payelerin İznik depreminden sonra sütunların yerine yapıldığı sanılmaktadır. Apsidin her iki yanında da diakonikon hücreleri bulunmakta olup, bunlar küçük birer kubbe ile örtülüdür. Duvarları fresklerle süslü olan bu hücrelerin bir duvarında da İsa’yı tasvir eden bir fresk iyi bir durumda günümüze ulaşabilmiştir. Kilisenin orijinal fresklerinden çok azı günümüze gelebilmiştir. Bunların en önemlileri apsid yanındaki hücrelerin kubbe ve duvarlarındaki aziz resimleridir. Bunlar arasında Hz. İsa, Hz. Meryem ve Yuhannes’in Deisis kompozisyonu bulunmaktadır. Aynı zamanda burada da yapılan araştırmalar sonucunda bir mezar odasına rastlanmıştır. Kilisenin apsidinde 1935 yılında yapılan kazıda rahiplerin oturması için ayrılan synthronon denilen kademeler ortaya çıkarılmıştır.1953 yılında burada bulunan küçük bir lahit (relique) bugün İznik Müzesinde bulunmaktadır.
Kilisenin kuzey duvarında sekiz, güney duvarında on ve narteksin günümüze ulaşan güney duvarında da iki penceresi bulunmaktadır. Bu pencerelerin bazıları sonraki dönemlerde küçültülmüştür. Bunlardan bazıları sonraki dönemlerde kapatılmıştır.
Kilisenin yapımında İznik tiyatrosundan alınan kesme taşlar kullanılmıştır. Değişik dönemlerde yapılan onarımlardan ötürü de zemin farklılıkları görülmektedir. İznik Ayasofyası’nın çeşitli depremler ve yangınlar sonucunda üst örtüsü yıkılmıştır. XVIII. yüzyıldan sonra yapı terk edilmiş ve 1935 yılından sonra da araştırılmaya başlanmıştır. Ayasofya’daki 1935-1936 yıllarında yapılan sondaj çalışmalarından sonra 1955 yılında tümü ile temizlenmiş, 1979-1981 yıllarında çevresindeki topraktan arındırılmış, yapının bütünü ve son olarak da 1985’te güneydoğusundaki mezar şapeli olan ek yapısı ortaya çıkarılmıştır. Günümüzde kilisenin taban mozaiklerinin üzerleri zarar görmemesi için camekanla kapatılmışsa da, yine buraya gizlice giren defineciler tarafından tahrip edilmektedir.
İznik Ayasofyası İznik Müzesinin yönetimindedir.