Aya Sofya'nın yanına, daha önce tarihi Zeuksippos Banyoları'nın bulunduğu yere inşa edilmiştir.Ayasofya Haseki Hamamı, Hürrem Haseki Sultan tarafından, 1556 yılında, hayrat olması amacıyla Mimar Sinan a yaptırılmıştır. Klasik devir Osmanlı hamamları uslubundaki yapı, çifte hamam şeklinde ve 75 m uzunluğundadır.

Bir rivayete göre hamamın yapılma sebebi, Hürrem'in Şehzade Cihangir'e hamile olduğu dönemde, hamamında bir suikaste maruz kalmasıdır. Bu tehlikenin ardından kendisine yeni bir hamam yapılması kararı alınmıştır.

532'de tamamen ortadan kalkan Zeuksippos Banyoları'nın bulunduğu yere yapılan Hürrem Sultan Hamamı, Mimar Sinan'ın inşa ettiği en büyük hamamdır.

Bu hamamda, Türk hamam mimarisinde bir yenilik olmak üzere ilk defa kadınlar ve erkekler kısmı aynı eksen üzerinde yapılmıştır. İki bölümün sıcaklık kısımları bitişiktir, soyunmalıklar eksenin iki ucunda yer alır. Erkeklerin soyunmalık, soğukluk ve sıcaklığını kadınlar kısmı nın sıcaklık, soğukluk soyunmalığı tekip eder. Binanın duvarları bir sıra kesme taş, iki sıra tuğla olarak örülmüştür. Erkekler kısmının soyunmalığında cephede üstte dörder, kadınlar kısmı soyunmalığında ise üçer sivri kemerli pencere vardır. Kapının bütün kubbeleri kurşun ile kaplıdır.

Erkeler kısmı cephesinde diğer hamamlardan farklı olarak ortasında bir kubbe olan sütunlu bir revak yer alır. Kubbe ve revak tavanı tuğla dekor ile süslüdür. Hamamın abidevi giriş kapısının kemerinde bir kırmızı, bir beyaz palmet dekoru ve üzerinde yeşil zemine altınla yazılmış kitabe bulunmaktadır. Soyunmalık kare şeklindedir ve üzeri kubbeyle örtülüdür. Kubbeye geçiş trompla sağlanmıştır. Kubbenin etrafını zikzak şeklinde bir yaprak frizi çevirir.

Ayrıca dört duvarda sivri kemerli nişler yer alır. Dikdörtgen bir plan gösteren bu kısımdan, üzerinde 3 kubbe bulunan soğukluğa, oradan da bir kapıyla sıcaklığa geçilir. Soğukluğun sağ tarafında helalar, solda ise usturalık yer alır. Planı haç şeklinde olan sıcaklığın 4 eyvanı ve 4 halveti vardır. Halvetler, müstakil odalar halindedir ve üzerleri küçük kubbelerle örtülüdür. Ortada sekizgen bir göbek taşı bulunur. Bu kısmın önceleri renkli mozaikle kaplı olduğu bilinmektedir. Kubbe, sekizgen mekanın duvarlarına oturtulmuştur.

Kadınlar kısmı
Kadınlar tarafı da erkekler tarafıyla aynı plandadır. Fakat bu kısımda soyunmalık erkekler tarafındakinden daha küçüktür. Kare mekanı yine kubbe örter.

İstanbul'un abidevi eserlerinden biri olan bu hamam, uzun yıllar kapalı kalmış, depo olarak kullanılmış ve 1957-1958'de onarılmıştır.

2008 yılında başlanan renovasyon ile 2011 Mayıs ayında tekrar kullanıma açılmıştır.