Geleneksel bir yapı malzemesi türü olan doğal taşlar; bilimsel açıdan
doğanın kendi uzun ve karmaşık hikâyesini yazdığı en güvenilir belge,
teknik açıdan ise en dayanıklı doğal malzemedir. Mimarlık tarihinin başyapıtı olarak tanımlanan günümüzdeki Ayasofya, olağanüstü duvar ve tavan mozaik süslemelerinin yanı sıra, gerek kilise, gerekse camii döneminde farklı tür ve kökende, zengin nitelikteki doğal taşın yaygın bir biçimde kullanıldığı önemli bir mimari yapıttır.
1935 yılında, günümüzdeki yapının batı avlusunda (müze dönemindeki giriş kısmında), Alman Arkeoloji Enstitüsü’nden arkeolog A. M. Schneider tarafından yürütülen kazılarda, İkinci Ayasofya’ya (imparator II. Theodosius dönemi; MS 415) ait doğal taştan oluşan
birçok kalıntı bulunmuştur. Günümüzde, Ayasofya’nın ana girişinin yanında, bahçenin kuzeybatı kenarında görülebilen bu kalıntılar başlıca; portik kalıntılarını oluşturan; friz, arşitrav ve korniş parçaları, merdiven basamakları, sütunlar, sütun başlık ve kaideleri, kapı
söve ve lentoları ile bazıları kabartmalarla (Erken Hıristiyan ikonografisinde on iki havariyi temsil eden kuzu figürleri) işlenmiş mermer bloklardır.
Günümüzdeki Ayasofya’nın yapımında ve bezemesinde kullanılan esas yapı malzemesi doğal
taşlardır. Bunun yanı sıra, geleneksel Bizans tuğlası ve Horasan harcı (puzzolanik katkılı) özellikle yapının kubbe, tonoz ve duvar kısımlarında yaygın olarak kullanılmıştır. Yapıda az miktarda kullanılan ve kökenleri kesin olarak saptanamayan, bunun için; detaylı arkeometrik-jeolojik analizler yapılması gereken, bazı doğal taş türleri de tespit edilmiştir.
Yapının ana nefini, yan neflerini, eksedraları, üst galerilerini ve iç narteksini, çeşitli tür, renk ve desendeki doğal taşlardan oluşan sütunlar, duvar-zemin kaplamaları ile duvar panoları
ve yer mozaikleri (Omphalion ve İmparatoriçe Locası) süslemektedir. Özellikle duvar kaplamalarındaki doğal taşlar, Bizans dönemi polikromatik (çok renkli) taş
süsleme “skoutlosis/book-matched” tekniği olarak bilinen simetrik pano düzeni şeklinde yan yana kullanılmıştır.
Yapıda, sadece üst galeride bulunan İmparatoriçe Locası’nın yer döşeme mozaiklerinde kullanılmış olan, sarı renkli ve gözenekli yapıdaki doğal taşın ise Eskipazar (Karabük)’dan çıkarılan traverten olduğu (kesin tespiti için gerekli analizlere ihtiyaç duyulmaktadır)
düşünülmektedir.
Duvarlarda, kakma doğal taş şeklinde yapılan, ortasında disk, çevresinde ise genellikle bitki ve hayvan figürlerinin tasvir edildiği “opus sectile panolarda” ise çoğunlukla Mısır’ın kırmızı (Porfido Rosso Antico) ile Yunanistan’ın Sparta yeşil porfirleri (Porfido Verde Serpentino) kullanılmıştır.
Yapıda, alt katta 40, üst katta ise 64 adet olmak üzere toplam 104 tane taşıyıcı doğal taş sütun kullanılmıştır. Bunlardan alt katta olanlarının; 8 tanesi kare paye şeklinde beyaz renkli Marmara Adası (Prokonnesos) mermerinden, eksedralardaki (ana mekânın dört
köşesini yuvarlatarak genişleten yarım daire şekilli alanlar) 8 tanesi silindir şeklinde Mısır kırmızı porfirinden
(Porfido Rosso Antico) (kesin olmamakla; devşirme malzeme olduğu, çünkü; ocaklarının üretiminin MS 5. yy’da faaliyette olmadığı bilinmektedir), 24 tanesi ise silindir şeklinde Yunanistan’ın yeşil renkli serpantin breşinden (Verde Antico) oluşmaktadır.
Üst kattaki galerilerde olanların ise; 24 tanesi silindir şeklinde beyaz renkli Marmara Adası (Prokonnesos) mermerinden, 40 tanesi ise yine silindir şeklinde Yunanistan’ın Teselya yeşil renkli serpantin breşinden (Verde Antico) oluşmaktadır.
Sütunların başlıkları ve kaideleri ise beyaz renkli Marmara Adası (Prokonnesos) mermerindendir. Ayasofya’da yapı ve kaplama fonksiyonu ile obje olarak kullanılan doğal taşların yanı sıra, Omphalion’da, Afganistan kökenli olduğu tahmin edilen yarı kıymetli süs taşlarından olan Lapis Lazuli (Lacivert Taş) ve/veya Sodalit küp geometrik formunda (tessera mozaik), kakma şeklinde kullanılmıştır.
Sahip olduğu doğal taş çeşitliliği ile Ayasofya, İstanbul’un bir doğal taş müzesi niteliğindeki mimari başyapıtlarındandır.