Ayasofya'nın onarımı başlangıçta Mühendis Abdülhalim Efendi'ye verilmiş, ancak Abdülhalim Efendi’nin işlerinin yoğunluğu nedeniyle yeterince ilgilenemeyeceği düşünülerek, o sırada Darülfünun'un yapımını gerçekleştiren Gaspare Fossati uygun bulunmuştur. Fossatilerin Ayasofya'nın onarımı için hazırladıkları tasarım Adalet Bakanlığı'na sunularak, 13 Mayıs 1847'de çalışmalar başlatılır. Onarım için gerekli giderler, varissiz ölen Şeyhülislam Mekkizade Mehmet Efen di'nin Beytülmâl'e (Devlet Hazinesi'ne) kalan servetinden karşılanır. Evkâf Nezareti (Vakıflar Bakanlığı) gözetiminde Ebniye-i Hassa (Genel Onarımlar) Müdürü Halim Efendi'nin başkanlığında başlatılan onarım çalışmalarında Yani ve Nikola Kalfa da Fossatilerle birlikte görev almıştır. Fossati ailesine ait tüm belgelerin korunduğu Bellinzona Archivio di Stato, fondo archivistico Fossati / Bellinzona Devlet Arşivi, aynı zamanda Fossatilerin Ayasofya’daki çalışmalarına ait resmi yazışmaları, karakalem ve suluboya resimleri ile notlarını da içermektedir.

Arşiv'deki 1339 numaralı belgede

Ayasofya’daki onarım çalışmalarına karşılık

ayrıca maaş ödenmediği, üniversite binasının

yapımından dolayı 5000 kuruş maaş

aldıkları kayıtlara geçirilmiştir. Daha sonraki

bir kayıtta ise, caminin onarım işi tamamlandığında

kendisine 300 kese para verilmesi

kararlaştırıldığı belirtilir.

Onarımlar, başlangıçta mimari sağlamlaştırma, örtü sisteminin onarımı ve camların temizlenmesi ile birkaç küçük çalışmayı içermekteydi. Mozaiklerin onarımının öngörülmeyişine karşın Gaspare, Sultan'ın izniyle üzerleri sıvanmış mozaikleri de açığa çıkarıp onardıktan sonra yeniden üzerlerini örtmüştür. Yapıdaki çalışmalarına galerideki örtü elemanlarının ağırlığı nedeniyle eğrilmiş taşıyıcı sütunların düzeltilmesiyle başlayan Gaspare, daha sonra öteki yapısal onarımların ve yeni eklemelerin yapımını üstlenir. Kayıtlarda bir kaç sanatçı dışında onarımlarda çalışan kişilerin kimliğine ilişkin herhangi bir bilgi olmayışına karşın, Bellinzona Archivio di Stato, fondo archivistico Fossati / Bellinzona Devlet Arşivi, Fossati Vakfı Arşivi'ndeki 1291 numaralı belgede 800 işçinin çalıştığı belirtilmiştir. Mimari onarımlarda öncelikle, kilisenin galerisindeki 12 eğik sütun düzeltilir. Galeri katında eksedralardaki sütunları düzeltmek için, sütun kaideleri çıkarılmış, sütunlar özgün yerlerine kaydırılarak altına yeni kaideler yerleştirilmiştir. Yeni sütun kaideleri 6. yüzyıla ait olanlardan farklıdır. Özgün kaideler, altlarındaki kare prizma tabanlarla (plinthus) monolith yani yekparedirler ve her biri farklı bezemeye sahiptir. Statik çalışmaların bir diğerinde Gaspare Fossati, galerideki sütunların kubbeyi kuzey ve güneyden destekleyen iki büyük yan kemerin ağırlığıyla eğrildiğini saptamış, hazırladığı raporda, baskıya neden olan iki yan kemerin itki gücünü hafifletmek için demirle bağlanmasını önermiştir; ancak bu uygulamanın yapılıp yapılamadığı anlaşılamamıştır.

18. yüzyıl sonundaki depremlerde, özellikle 1766 yılında yapının kubbesinde oluşan çatlaklar, bu onarımlar sırasında doldurulmuştur. Kubbeyi sağlamlaştırmak amacıyla kasnağa dıştan iki madeni halka bağlanır; bunların üzeri alçıdan bezemeli bir kornişle örtülür. Fossatiler ana kubbenin dışında kuzey ve güneyde yer alan ikişer payandayı, yapısal bir işlevi olmadığı gerekçesiyle kaldırmışlardır. Gaspare, kubbenin kuzey ve güneyindeki dört payandayı yıktırdıktan sonra, bundan ve daha önceki onarımlardan kalan molozları da temizler. Aynı zamanda diğer bütün kubbeler onarılarak, kurşun çatılar yenilenir. Gaspare Fossati örtü sistemindeki çalışmaları sırasında kubbenin ana kemerlere inen ağırlığını hafifletmek amacıyla kubbenin kuzeydoğu ve güneydoğu köşelerinde yer alan, içi merdivenli ağırlık kulelerini kaldırır.

Mimari onarımlar sürdürülürken, Ayasofya’nın içindeki bezemeler de onarılmıştır. Bu çalışma çerçevesinde yapının kuzey ve güney yan nefleri ile galeri katındaki mermer kornişler yenilenir. Ana nefteki mimari bezemelerin iyi durumda olmasına karşın, yan nefler ve galerideki süslemeler 1815 yılındaki onarım sırasında hasar görmüştür. Fossati, önce kornişleri duvara bağlayan eskimiş mengeneleri yenileriyle değiştirir; ardından süslemenin yerleşeceği yüzeyleri yeniden sıvadıktan sonra mermer korniş parçaları yerleştirir. Ayasofya'nın duvarları verde antico, pavonazetto, su mermeri, porfir gibi farklı mermer panolarla kaplıydı. Onarımlarda eski mermer parçaların yanında stucco lustro (mermer taklidi boyama) tekniği ile kaplamaların biçim ve rengine benzer boyalı alçı kullanılmıştır. Bezemeler arasında yan nefleri, narteksi ve galeriyi boydan boya dolaşarak genellikle kapı lentolarının düzeyinde ve örtü sistemine geçişte yer alan alçı kornişler onarılmıştır. Yan nefler ve narteksteki kornişler ile kuzey ve güney galerilerde asma yaprakları, batı galeride kıvrık dal ve çiçek motifli kornişler Fossatiler tarafından özgünlerine benzer biçimde tamamlanmıştır.

İç narteksin batı duvarındaki özgün mermer kaplamaların bir bölümü Fossatilerin onarımı sırasında var olmadıklarından mermer benzeri boyanmış, bu çalışma İtalyan ressam Antonio Fornari'nin danışmanlığında yapılmıştır. Fossatilerin onarımları kapsamında yapının güneydoğusundan galeriye çıkışı sağlayan payandanın üzerindeki tuğla minare, diğer üç minarenin seviyesine yükseltilmiştir. Minare, güneydoğu payandanın üzerinde, kireç taşından yapılmış bir kare prizma kaide üzerinde, 16 köşeli tuğla gövde şerefenin üst bölümünde incelerek yükselmekteydi. Gaspare Fossati, minarenin konik külahını kaldırarak girland (çelenk) bezemeli bir friz eklemiş ve külahı tekrar yerleştirmiştir. Bu bezemelerdeki antik sanatın izlerini taşıyan girland kabartmalar, 19. yüzyılda batı etkisindeki Osmanlı sanatına örnek oluşturur.

Yapının içindeki onarım ve yeni eklemeler arasında yeni bir Hünkâr Dairesi ile Hünkâr Mahfili önemlidir. Mihrabın sol tarafında yer alan dehlizin içindeki eski hünkâr mahfili kaldırılarak, yerine kuzeydoğuda, apsisin önündeki kuzeydoğu eksedranın doğu payesine ve yapının doğu duvarına bitişik olarak yeni bir mahfil inşa edilmiştir. Eski hünkâr mahfilinin mihraba bakan yüzü, altın yaldız bezemeli dört sütunun taşıdığı bir çıkma ile belirlenmişti. Önde III. Ahmet'in yaptırdığı altın yaldızlı bir şebeke yer almaktaydı. Mahfilin duvarlarındaki 16. yüzyıl İznik yapımı çinilere göre, önceki mahfil bu döneme tarihlendirilir. Fossatilerin onarımları sırasında mahfilin çıkması, sütunları ve merdiveni kaldırılır. Gaspare Fossati'nin "Bizans biçeminde" diye tanımladığı yeni hünkâr mahfili mermerden yapılmıştır. Üçü Fatih Camii avlusundan getirilen sekiz sütun üzerinde yükselen mahfil, akanthus yaprakları ile bezenmiş altın yaldızlı şebekelerle çevrilerek altı köşeli eğimli külahla örtüldü. Külahın üzerine Sultan’ın simgesi olarak yaldızlanmış radyal ışınlı güneş yerleştirilir. Mahfili taşıyan sekiz sütunun başlıkları ile şebekeler arasındaki küçük sütun başlıkları, örtü sistemine geçişteki kornişler ve külahı çevreleyen akanthus yapraklı bezemeler altın yaldızla boyanır. Son araştırmalarda sütunlar arasında yer alan à jour (delik işi) tekniğindeki mermer korkuluk levhalarından üçü 6. yüzyıl levhaları olup, Fossatilerce burada yeniden kullanıldığı ortaya konmuş, mahfildeki diğer delik işi levhaların Fossatierin yaptırdığı 6. yüzyıl levhalarının benzer kopyaları olduğu anlaşılmıştır. Hünkâr mahfili’nin bir geçit ile kilisenin kuzeydoğusundaki dikdörtgen planlı bir salona bağlanmasıyla da burada bir hünkâr dairesi oluşturulmuştur.

Hünkâr Dairesi'ndeki resimler, Rus Elçiliği'nin bezenmesinde görev alan İtalyan ressam Antonio Fornari'nin yapıtlarıdır. Hünkâr Dairesi’ne asılan mermer üzerine mozaik tekniğinde yapılmış Sultan'ın tuğrasını içeren daire formlu levha ise N. Lanzoni'nin eseridir. Tuğra, altın yaldız zemin üzerinde yeşil renkte tesserae (mozaik taneleri) ile oluşturulmuştur. Hünkâr dairesinin günümüzde mescid olarak kullanılan bölümünde, III. Ahmed Çeşmesi karşısındaki giriş kapısı üzerinde yer alan Abdülmecid'in tuğrası konulur. Tuğranın altındaki imzasız ve tarihsiz yazıt 1849'da Hattat Kazasker Mustafa İzzet Efendi tarafından yazılmıştır. Caminin avlusu içinde, avlu kapısının doğusunda ve yapının güneybatısında Fossatilerce inşasına başlanan bir muvakkithane (vakit odası)’nın yapımı 1850 yılında tamamlanır. İnşaatın müteahhidi Mısırlı Yani Kalfa'dır. Muvakkithane kare planlı, orta bölümü yüksek bir sekizgen kasnak üzerinde küçük bir kubbe ile kasnağın çevresinde kalan yan bölümlerin üzeri geniş eğimli çatı ile örtülmüştür. Yapının güneyi caddeye bakan cephedir. Beşik kemerli kapı ve pencerelerin mermer çerçeveleri ile pencerelerdeki demir şebekeler II. Ampir biçeminde tasarlanmıştır.

19. yüzyılda Ayasofya’nın duvarlarındaki sıvalarm bozulmuş, altında yer yer mozaikler ortaya çıkmıştı. Fossatiler, Ayasofya’nın mimari onarımlarından sorumlu olmalarına karşın, çalışmalar sırasında Abdülmecid’in izniyle sıvaları kaldırıp, açığa çıkan mozaikleri onardıktan sonra suluboya ve karakalem çizimlerle belgelemişler, daha sonra figürlü panoları sıva ile yeniden kapatmışlardır. Böylelikle bir bölümü korunmasa da günümüze ulaşan resimleri, Fossati kardeşlerin çalışmalarına borçluyuz.

Fossatilerin mozaikleri açığa çıkarma ve onarım çalışmaları, kilisenin alt katında güneybatı dehlizde, iç nartekste, galeride, kuzey ve güney timpanumlarda, kubbeyi destekleyen doğu ve batı kemerlerde, apsis ile bema kemerlerinde, pandantiflerde ve kubbede gerçekleştirilmiştir. Suluboya resimler ve karakalem taslak çizimlerle belgelenen bu çalışmalar, günümüze gelemeyen mozaikleri içermesi açısından da ayrı bir önem taşır. Suluboya ve karakalem resimlerde açıklama notları ve resimlerin yapıldığı belgeleme tarihi yer almasına karşın, mozaiğin açığa çıkarıldığı tarih verilmemiştir.

Fossatilerin onarım çalışmaları sürerken, IV. Friedrich Wilhelm, Prusyalı mimar Wilhelm Salzenberg'i Ayasofya'nın ve mozaiklerinin belgelenmesi için görevlendirir. Salzenberg, Fossati'nin onayı ile 1848 yılının Ocak ayından Mayıs ayına kadar Ayasofya’da bulunmuş, açıkta görebildiği mozaikleri çizimler aktararak, aynı zamanda yapının plan, kesit ve cephe çizimlerini, İstanbul'daki başlıca Bizans kiliseleriyle birlikte hazırladığı Alt-Christliche Baudenkmale von Constantinopel vom V. bis XII. Jahrhundert adlı kitabında yayımlamıştır. Bu resim ve çizimler Fossatilerin çalışmalarını farklı bir elden aktaran önemli belgelerdir. Fossati kardeşlerin mozaikleri açığa çıkarma, onarma ve belgelemeçalışmaları günümüzde var olan ve açıkta görülebilen mozaikler ile Fossatilerin çizim ve resimlerinden bilinen ve günümüzde üzeri kapalı olan veya yerinde olmayan mozaiklerin ortaya konulması açısından önem taşımaktadır. Gaspare'ın Ayasofya'daki çalışmaları, 1852 yılında Londra'da yayımlanan Ayasofia Constantinople as Recently Restored by Order of H. M. The Sultan Abdul Mediid başlıklı Albüm içinde litografya (taş baskı) 25 levhada belgelenmiştir.

Fossati kardeşler onarımlar kapsamında, Ayasofya Camii’nin içinde yeni bezemelere de yer vermiştir. Apsiste, Osmanlı Döneminde alçı şebeke ve vitrayla kapatılan, üçü altta, üçü üstte olmak üzere toplam altı pencereden üçünün camlarını, adı saptanamayan bir Türk usta yeniden yapmıştır. Kubbeyi taşıyan büyük payeler üzerine, galeri katı seviyesinde, sekiz büyük kaligrafi levhası asılır. Levhalar üzerindeki hatları, Kazasker Mustafa İzzet Efendi 1849’da (H. 1265) yazmıştır. Yeşil renkli levhaların üzerine altın yaldızla "Allah", "Muhammed", "Ebu Bekir", "Ömer", "Osman", "Ali", "Hasan" ve "Hüseyin" in adları okunmaktadır. Mustafa İzzet Efendi'nin küçük boyutlarda yazdığı hatlar, öğrencileri Şefik Bey ve Ali Efendi tarafından kareleme yöntemiyle büyütülmüştür. Daire biçimli levhalar caminin içine asıldıktan sonra, altın varaklar halindeki yazılar, levhalar üzerine yerleştirilir. "Bahriye" (Deniz Kuvvetleri) marangozhanesinde yaptırılan levhalar, tek parça olmayıp parçalardan oluşmaktadır. Levhaların çapı yaklaşık 7.50m, hattat imzası ise 1.75 x 0.95 m boyutlarındadır. Levhaların yapımında nakkaş başı Abdullah Efendi başkanlığında Osman, Mehmet, Bekir, Arap Said ve Mısırlı lakabı ile kayıtlı nakkaşların emeği geçmiştir. Levhaların kenar kabartmalarını da Dimitri ve Andon adlı sanatçılar hazırlamıştır. Ayasofya'nın müzeye dönüştürülmesinden sonra indirilerek kuzey nefte korunan levhalar, 1948 yılında tekrar yerlerine asılır. Kaligrafi levhalarıyla aynı zamanda kubbenin merkezine bir madalyon içinde Kuran'dan bir ayet yazılmıştır.

Yeşil bir zemin üzerinde Mustafa İzzet Efendi'nin altın yaldızlı yazısı, Kuran'ın 24. Âyeti'nin 35. Sûresi'ni içerir. Bezemelerine göre Fatih dönemine tarihlenen ancak Fatih’ten sonra pek çok değişiklik geçiren mihrap, 16. yüzyılda III. Murad (1574- 1595) döneminde yapılan minber, biri minberin ön bölümünde, öteki üçü orta nefte ve biri nartekste yer alan müezzin mahfilleri ve vaaz kürsüsü onarımlar sırasında yaldızlanır. Onarımlar sırasında caminin aydınlatma elemanları da yenilenir. Yapı, orta nefte kubbeden aşağıya sarkan ve ayrıca galeride sütunlar arasında yer alan kandillerle donatılır. 19. yüzyıl Viktorya biçemindeki kandiller, üzerlerindeki palmet ve rumiler, Türk ve batı bezemelerinin karışımı olarak değerlendirilir. Fossati’lerin onarımlarında caminin zemini boydan boya, Uşak halıları ve Mısır'dan getirilen hasırlarla döşenir, aynı zamanda kapılara perdeler asılır.

Galeride naosa bakan korkuluk levhalarının önünde ve ayrıca üstte örtü sistemine geçişte yer alan korkuluklar, ahşaptan yenileri ile değiştirilir. Yükseklikleri 1m’den az olan bu korkuluklar, olasılıkla duvarlardaki bezemelerin yapımı ve onarımlarında kullanılmak üzere yapılmıştır. Yapıyı boydan boya dolaşan bu yeni korkuluklar da 19. yüzyıl Viktorya biçemini yansıtır. Çalışmalar sırasında yapının dış cepheleri dönüşümlü olarak yeşil ve sarı şeritlerle boyanır. Yayınlarda yapının kırmızı-yeşil veya tek renk kırmızı renkte boyandığına ilişkin bilgiler çelişkilidir. Bu dönemde caminin çevresi düzenlenerek, yangına engel olmak amacıyla ahşap binalar yıktırılmıştır. Onarımların tamamlanmasının ardından 13 Temmuz 1849'da yapı görkemli bir törenle açılır. Paris'e ısmarlanan ve bir yüzünde Ayasofya, diğer yüzünde Abdülmecid’in tuğrasının bulunduğu anı madalyonları, ne yazık ki törene yetiştirilememiştir.

Madalyonun ön yüzünde Fossati'nin tasarladığı Ayasofya betimlemesinin altındaki iki satır yazıdan üstte "FOSSATI RBS ROBERTSON S.C.", altında Osmanlıca "Tarih-i Tamir-i Ayasofya 1265 [1849]" yazısı ile solda mimar Fossati'nin adı okunur. Resim ve süslemeleri Robertson, tuğra ve yazıları Naif Efendi hazırlamıştır. Londra'da madalya oymacılığı eğitimi alan ve Londra Darphanesi'nde ressam olarak çalışan İskoç asıllı James Robertson (1813 -1888), 1840'ta İstanbul'a yerleşerek Darphane- i Amire hizmetine alınmış, Osmanlı darphanesi için tasarım ve gravürler hazırlamıştır. Sanatçı daha sonra1843'te Osmanlı darphanesinde baş gravürcü görevini üstlenmiştir. Ayasofya’nın anı madalyonları farklı madenlerden sınırlı sayıda üretilmiş olup, sultan ve valide sultana verilmek üzere iki altın, devlet görevlileri için 99 gümüş ve 199 bronz madalyon basılmıştır. Gaspare ve Giuseppe'ye birer gümüş madalyon, restorasyondan sorumlu Nâzır Mustafa Reşid Paşa'ya 30 gümüş, Maarif ve Maliye Nezareti'nin yüksek derecedeki memurlarına ve Darbhâne-i Amire'ye 50 bronz madalyon verilir. Altın madalyonun biri İstanbul Arkeoloji Müzesi, İslami Sikkeler Bölümü'nde, gümüş madalyonlardan biri Ayasofya’da, bir diğeri Bellinzona Archivio di Stato, fondo archivistico Fossati / Bellinzona Devlet Arşivi, Fossati Vakfı Arşivi'ndedir. Gaspare 1856 yılında Osmanlı Hükümeti'ne yaptığı hizmetlerden ötürü "İftihar Nişanı" ve aynı zamanda Çarlık Rusyası'ndan, İspanya ve İtalya Hükümetleri'nden pek çok ödül almıştır. Giuseppe de çalışmalarıyla yaptığı hizmetlerden dolayı 1860'ta Sultan’dan "İftihar Nişanı" alır. Fossati kardeşler, İstanbul'dan 1859 yılında ayrıldılar. Ayrılışlarının kesin nedeni bilinmemekle birlikte, Kırım Savaşı ve Osmanlı İmparatorluğu'nun ekonomik bunalıma girmesi sonucu işlerinin azalması, ayrıca bir devrim girişiminin neden olduğu düşünülür.