W XVI wieku kolejnych przeróbek dokonał architekt Mimar Sinan, który wzmocnił konstrukcję kopuły i zbudował murowane minarety, które oprócz funkcji religijnej miały także wzmacniać konstrukcję budynku. Na przestrzeni wieków kompleks świątynny rozbudowywano i ozdabiano, dodając elementy takie jak biblioteka, loża sułtańska, medaliony z kaligrafowanymi imionami Mahometa i kalifów, mauzolea sułtanów, medresa, fontanna do ablucji czy brązowe lampy po obu stronach mihrabu (prezent Sulejmana Wspaniałego). Hellenistyczne marmurowe sześciany przy głównym wejściu zostały natomiast sprowadzone z Pergamonu na polecenie Murada III. Medresa zbudowana za panowania Mehmeda II została rozebrana w XVII wieku, a odbudowano ją w XIX wieku. Resztki pierwszej medresy odkryto natomiast w czasie wykopalisk w 1982. Ze względu na powstanie budowli jako świątyni chrześcijańskiej mihrab jest odchylony o 10° od osi budynku, by mógł wskazywać położenie Mekki.