1930 ile 1935 yılları arasında restorasyon çalışmaları nedeniyle halka kapatılan Ayasofya’da Mustafa Kemal Atatürk’ün emriyle bir dizi çalışmalar yapıldı. Bu çalışmalar arasında çeşitli restorasyonlar, kubbenin demir kuşak ile çevrilmesi ve mozaiklerin ortaya çıkarılıp temizlenmesi sayılabilir. Restorasyon sırasında Ayasofya’nın, yeni Türkiye Cumhuriyeti’nin laiklik ilkesi doğrultusunda, yapılış amacı olan kiliseye tekrar çevrilmesi konusunda fikirler ortaya atılmışsa da; bölgede yaşayan Hristiyan sayısının çok az olmasından dolayı oluşan talep yetersizliği, bölgede bu denli görkemli bir kiliseye karşı yapılabilecek muhtemel provakasyonlar ve mimarinin tarihi önemi gözönüne alınarak Bakanlar Kurulu’nun 24 Kasım 1934 tarih ve 7/1589 sayılı kararıyla müzeye çevrilmiştir. 1 Şubat 1935’te ziyarete açılan müzeyi Atatürk 6 Şubat 1935 tarihinde ziyaret etmiştir. Yüzyıllar sonra mermer zemindeki halıların kaldırılmasıyla zemin döşemesi ve insan figürlü mozaikleri örten sıvanın kaldırılmasıyla da mozaikler tekrar gün ışığına çıkarılmıştır.
Temmuz 2016’da Ayasofya Müzesi’nde düzenlenen Kadir Gecesi programında, 85 yıl aradan sonra sabah namazı ezanı okundu. Ekim 2016’da Müze’nin ibadete açık olan bölümü Hünkar Kasrı’na, Diyanet İşleri Başkanlığı tarafından uzun yıllardan sonra ilk kez asaleten imam atandı