Ayasofya’nın yapım aşaması üç evreden oluşmaktadır. İlk yapı 360 yılında imparator II. Kontantius zamanında tamamlandı, bu yapının yanması üzerine ikinci Ayasofya 415 yılında imparator II. Theodosius zamanında tamamlanmış, ancak 532 yılında Hipodrom’da çıkan Nika isyanında bu yapının da tahrip olması sonucu 537 yılında I. Justinianus zamanında üçüncü Ayasofya’nın inşası tamamlanmıştır. Yeraltı yapılarının büyük çoğunluğu bu üç evreye ait olmakla birlikte Ayasofya’nın ilk inşasından önceki Roma dönemine ve restorasyonlar sırasında yapılmış daha geç döneme tarihlenen bulgular da bulunmaktadır.

Ayasofya’nın altında bulunan dev bir sarnıçla ilgili olarak Osmanlı tarihçileri ve Avrupalı gezginler tarafından kimi zaman abartılı ifadeler kullanılmıştır. Örneğin Grelot, bu sarnıçtan yeraltı kanalları yoluyla kayıklarla denize kadar ulaşılabildiğini yazmıştır. Derviş Şemseddin Karamani, bu suyun din görevlilerine 10 sene yetecek miktarda olduğunu söylemiştir. 1784’te Moreno, 30 basamaklı bir merdivenle sarnıca inildiğini yazmıştır. Prof. Semavi Eyice de Ayasofya nefinin altında bir sarnıç olduğunu söylemiştir. 1940’ta Prof. Van Nice da 1937’de Prof. Emerson ile başladıkları ve Ayasofya’nın mimari yapısını inceledikleri araştırmada su kanallarının bir kısmını tespit etmiştir.

Yeraltında kalmış bu yapılara ulaşmak için bulunan deneyimli mağaracılar yararlanılmıştır. Speleoloji (mağaracılık bilimi) ve arkeolojinin işbirliği konusunda bu çalışma örnek teşkil etmektedir. Su dolu olan alanlar bu proje için üretilmiş olan robot kamera (ROV) ve dalgıçlar tarafından araştırılmıştır. İnsan giremeyen bazı kanallar ise Mısır piramitlerinin keşfinde de kullanılan paletli robot kamera ile görüntülenmiştir. Çalışmaya profesyonel sualtı fotoğrafçıları da destek vermiştir.

Tespit edilen altyapılardan ilki, iç narteks’in altında bulunan tonozlu bir mekândır. Tonozun yüksekliği 1.4 metredir, 44 metre uzunluğunda dört metre enindedir ve 23 ayakla desteklenmiş iki sira tonozlu koridordan oluşmaktadır. Bu altyapı planı itibariyle son Ayasofya’ya uymamaktadır. Tuğla örgü olan bu mekan zemin de dahil olmak üzere sarnıç sıvası ile kaplanmıştır. Bu da su toplanmaya müsait bir mekan olarak düşünüldüğünü göstermektedir ya da en azından bir dönem bu şekilde kullanıldığını göstermektedir. Kuzey ve güney ucundan inşa edilen su yolları/tüneller ile bağlanmaktadır. Bu tüneller yapı malzemesi ve tekniği açısından oldukça düzensizdir. Kaba taş, tuğla, mermer levhalar ve harç kullanılmıştır. Kimi yerde yukarıda Ayasofya’nın zemin mermerleri görülürken kimi yerdeyse tonozlara rastlanmıştır. Bu durum farklı dönemlerde gerçeklestirilmiş onarım ve eklemelere bağlanabilmektedir. Dehlizin kuzey ucundaki tünel dirsek yaptıktan sonra doğuya Topkapı Sarayı istikametine doğru devam etmektedir. Dirsek yaptığı noktada ise iki kol daha vermektedir. Bunların biri dış nartekse ulaşmakta ve burayı nartekese paralel olarak kat ettikten sonra dehlizin güney ucundaki diger tunellerle ve dehlizle tekrar birleşmektedir. Bu tüneller hem su isalesi hem de drenaj işlevini yerine getirmektedir. Binanın altına denk gelen kanallar ise aynı zamanda iklimlendirme işlevine sahiptir.

Tünellerin büyük çoğunluğunu içinde farklı dönem ve su hacmini işaret eden toprak künk, kurşun ve demir borular tespit edilmiştir. Ayasofya’nın batıdaki avlusunun altından geçen kanal ve boruların Roma dönemi ve sonrasında şehrin ana caddesi Mese/Divan Yolu’nun altından döşenmiş olan ve şehre Istrancalar ve Belgrat Ormanı’ndan su getiren ana hatlarla bağlantılı olan ana kanal olduğu bu araştırmada bulunmuştur. Bu kanalın Topkapı Sarayı yönünde devam ettiği ve bu bölgeye de su sağladığı tespit edilmiştir.

İç narteksin altından kuzey ve güneye dönen tünellerin diğer kolları III. Murat döneminde Bergama’dan getirilen mermer küplerin alt hizasına kadar ulaşmaktadır. Bu küplerin bulundukları zeminde görulen delikler büyük olasılıkla bu tünellere bağlanmakta ve küplerdeki sulardan dökulenler bu deliklerden tünele akmaktaydı. Dolayısıyla bu kolların Osmanlı zamanında ilave edildiği söylenebilir. Tünellerin zaman içinde duvarlar örülerek kapatılmış olması bugünki rutubet probleminin önemli bir sebebidir.

Bu araştırma sonucunda Ayasofya’nın ve avlularının altından geçen toplam bir kilometrelik su yolu ve dehliz tespit edilip ölçekli planları çıkartılmıştır. Bunların biri 1,7 metre ile en yüksek olandır ve Bizans Büyük Sarayı yönünde ilerlemektedir. İçinde su borularının bulunmayışı bunun bir yeraltı geçidi olmasını akla getirmektedir.

Araştırma sonucunda Ayasofya’nın içinde ve bahçesinde dokuz kuyu tespit edilmiştir. Bunlardan beşinde halen su bulunmaktadır. Nefte bulunan ikisine nargile sistemiyle dalış yapılmıştır. Dalış yapılan ilk kuyu ana nefin kuzeybatısındadır. Kuzeybatıdaki filayağın 10,5 metre güneyindedir. Grelot, bu kuyudan Ayasofya’nın altındaki büyük sarnıca açılan kuyu olarak bahsetmiş ve çiziminde bir Osmanlı’yı bu kuyudan su çekerken resmetmiştir. Bu kuyunun metal bir kapaği vardır ve ağzı 44 santimetre çapındadır, kuyu aşağıya doğru genişleyerek bir metre çapa ulaşmaktadır. Bu kuyu ana kayaya oyularak açılmıştır. Alınan kaya örneklerinden Ayasofya ve Topkapı Sarayı’nın grovak türü bir kaya kütlesi üzerinde oturduğu anlaşılmıştır. Grovak, bir Trakya formasyonudur ve 300 milyon yıl önce Paleozoik dönemde oluşmuştur. Kuyunun suyu, elektrik iletkenlik ve klor analizlerine tabi tuttulduğunda içilebilir nitelikte yeraltı suyu olduğu anlaşılmıştır. Kuyunun dibinde Birinci Dünya Savaşı’nda burada bulunan İngiliz askerlere ait mataralar bulunmuştur.

Dalış yapılan ikinci kuyu güney nefte bulunmaktadır. Küfeki taş örgülüdür. Drinliği 8,8 metredir ve 6,5 metre su vardır. Diğer tespit edilip içlerine girilen kuyular ise Ayasofya’nın batı payandalarına bitişik olan iki kuyu, kuzey duvarının dışındaki kuyu, güney türbeler bahçesindeki iki kuyu ve doğudaki kutsal olduğuna inanılan kuyudur.

Bunların dışında araştırma sonucunda Ayasofya’nın altında üç bilinmeyen odayı ortaya çıkartılmış ve planları çizilmiştir. Bunlardan biri Ayasofya’nın güneyinde bulunduğu belirtilen eski patrikhaneye ait olabileceği düşünülmektedir. Bir diğer önemli yapı ise yeraltı anlamına gelen hypogeum’dur. Burası Ayasofya’da tam olarak kuzeydeki avlusunda Vezir Bahçesi altına denk gelmektedir. Yapı içindeki nişlerde 12 adet kline (mezar yatağı) burasının bir dönem toplu bir mezar olarak kullanıldığını göstermektedir. Bir dönem hidrolik sıva ile kaplanıp sarnıç olarak kullanılmıştır ve buraya su kanalları bağlanmıştır. Hypogeum, Justinianus Ayasofyası yani bugünki Ayasofya’dan daha eskidir.