Yukarıda türbesinden söz edilen III. Murat (157495), Ayasofya'nın içine iki ilave yaptırmıştır. Arkeolojik yönden ilginç olanı, Bergama'dan getirilen Hellenistik döneme ait, her biri tek parça taştan oyulmuş bir çift büyük mermer su küpüdür. İslam ibadetinde daha pratik bir işlevi olan ise, güneydoğudaki payeye yakın, yükseltilmiş bir platform olan müezzin mahfilidir. Buradan müezzin, dualar okunurken imama mukabelede bulunur. Mihrapta olduğu gibi nefin ekseni ile paralel değildir, kıble ekseni üzerinde yer almaktadır. Bu türstrüktürlerin epeyce süslü olmalarına karşın bunun sadeliği dikkat çekicidir. Basit sivri kemerlerin arasındaki dümdüz payeler, oymalı bir korniş taşımaktadır. Bu özelliği, diğer üç payenin yanında yer alan, diğer müezzinlerin kullandığı kısımların arkasında da yankı bulmuştur.

Daha sonra, Ayasofya'yla ciddi şekilde ilgilenen padişah I. Mahmut (173054) olmuştur. Yaptırdığı onarım ve yenilemelerin yanı sıra bir kütüphane, bir şadırvan bir de sıbyan mektebi ilave ettirmiştir. Bütün bunlara ek olarak da, öğrencilere, camide çalışanlara ve fakirlere yemek dağıtacak bir imaret yaptırmıştır. Ayasofya'nın içinde, güney yan nefe inşa edilen kütüphane, Osmanlı özelliğini en güçlü şekilde ortaya koymaktadır. Önde mukamaslı başlıkları olan altı sütundan oluşan bir dizi yer almaktadır. Sütunların arasındaki bronz şebeke mekânı ayırmakta, ancak okuma odasının dışarıdan görülebilmesine olanak vermektedir. Burası düzgün biçimli, dikdörtgen bir mekân olup duvarlarının alt bölümünde mermer kaplamalar bulunmaktadır; üst kısımları ise İznik çinileriyle bezenmiştir. Doğu ucunda, Mahmut'un şaşaalı tuğrasının üzerinde, etkileyici güzellikte bir yazı şeridi yer almaktadır. Okuma odasında bulunan çinilerin üzerinde yer alan ve tekrarlanan desenlerle karşılaştırıldığında, kitapların bulunduğu odaların duvarlarındaki çinilerin çok daha inceden inceye işlenmiş olduğu görülmektedir. Coşkulu çiçek ve ağaç desenleri İznik çinilerindeki ustalığın zirvede olduğu dönemi yansıtmaktadır. Ne yazık ki parmaklıklar ardından bu çinilerin yalnızca küçük bir bölümü görülebilmektedir. Sultan Mahmut, bu kütüphanenin, Ayasofya'nın biraz ilerisinde yaptırdığı Cağaloğlu Hamamı'nın gelirinden desteklenmesini sağlamıştır.

1740 yılı civarında I. Mahmut, Ayasofya'nın güneybatı köşesinde yer alan şadırvanı da yaptırmıştır. Bu şadırvan Osmanlı rokoko üslubunun güzel bir örneğidir. Sekiz zarif kemer üzerinde duran çatının geniş saçaklığı, oymalı mermer duvarların ve zarif bronz şebekelerin önündeki küçük mermer oturaklarda aptes alanlara siper olmaktadır. Ayasofya'da görevli din adamlarının ve hizmetlilerin çocukları için açılan ilkokul olan sibyan mektebi, şadırvanın yanındaki dış duvara yakın yer almaktadır. Bu amaçla yapılmış binaların iyi bir örneği olan okul, taş sıraların arasında ince tuğla şeritlerin bulunduğu duvarlarla çevrili, tek kubbeli bir odadan oluşmaktadır.