2013 yılından itibaren tekrar cami olarak kullanılabilen, zamanın kilisesi, günümüzün müzesidir. bir de minare olarak kullanılan 30 metrelik kulesi mevcuttur.
istanbul'un Latinler tarafından işgal edilmesinden sonra kaçan ve Trabzon'da 1204 yılında yeni bir devlet kuran Komnenos ailesinden Kral I.Manuel (1238-1263) tarafından 1250-1260 yılları arasında yaptırılan ve bir manastır kilisesi olan Ayasofya adı "Kutsal Bilgelik" anlamına gelir.
Geç Bizans Kiliselerinin en güzel örneklerinden biri olan yapı, kare-haç planlı olup, yüksek bir kubbeye sahiptir. Kuzey, batı ve güneyinde revaklı üç kirişi bulunmaktadır. Yapı ana kubbenin üzerine değişik tonozlarla örtülmüş ve çatıya farklı yükseltiler verilerek kiremitle örtülmüştür.
Üstün bir işçiliğin görüldüğü taş plastiklerde Hristiyan sanatının yanı sıra Selçuklu Dönemi islam sanatının da etkileri görülmektedir. Kuzey ve batıdaki revak cephelerinde görülen geometrik geçmeli bezemeleri içeren madalyonlarla, batı cephesinde görülen mukarnaslı nişler Selçuklu taş işlemelerindeki özellikleri taşımaktadır.
Binanın en görkemli cephesi güneyidir. Burada Adem'le Havva'nın yaratılışı kabartma olarak bir friz halinde anlatılmıştır.
Güney cephesindeki kemerin kilittaşı üzerinde Trabzon'da 257 yıl hüküm süren Komnenosların sembolü olan tekbaşlı kartal motifi bulunmaktadır.
Kubbede ana tasvir isa'nın tanrısal yönünü aksettiren pantacrator isa'dır. Bunun altında bir kitabe kuşağı, daha altta ise melekler frizi bulunur. Pencere aralarında oniki havari tasvir edilmiştir. Pandantiflerde değişik kompozisyonlar yer almaktadır. isa'nın doğumu, vaftizi, çarmıha gerilişi, kıyamet günü gibi sahneler betimlenmiştir.
Fatih Sultan Mehmed'in 1461 yılında Trabzon'u fethiyle camiye çevrilmiş ve vakıf eser olmuştur. 1868 yılında Bursa'lı Rıza Efendi'nin teşvikleriyle yeni baştan onarılmıştır.
I. Dünya Savaşı yıllarında Ruslar tarafından işgal edilen Ayasofya, askeri karargah, hastane, depo ve savaştan sonra yine cami olarak kullanılmıştır. 1958-1962 yılları arasında Edinburgh Üniversitesi ve Vakıflar Genel Müdürlüğü işbirliği ile restore edilerek, 1964 yılında müzeye çevrilmiştir.
