Za tři týdny po jeho vítězství byly provedeny obřady založení Nového Říma a 11. května 330 bylo značně rozšířené město slavnostně otevřeno. Byl to akt s obrovskou historickou předzvěstí. Konstantinopol se měla stát jedním z velkých světových hlavních měst, zdrojem císařské a náboženské moci, městem nesmírného bohatství a krásy a hlavním městem západního světa. Až do vzniku italských námořních států byla prvním městem v oblasti obchodu a také hlavním městem toho, co bylo až do poloviny 11. století nejsilnější a nejprestižnější mocností v Evropě.
Konstantinova volba hlavního města měla hluboký dopad na starověký řecký a římský svět. Vytlačil mocenské centrum Římské říše, posunul ji na východ a dosáhl prvního trvalého sjednocení Řecka. V kulturní oblasti Konstantinopol podpořila spojení orientálních a západních zvyků, umění a architektury. Náboženství bylo křesťanské, organizace římská a jazyk a vzhled řecký. Vyvinula se zde koncepce božského práva králů, panovníků, kteří byli obhájci víry – na rozdíl od krále, který byl sám božský. Konstantinův zlatý solidus si zachoval svou hodnotu a sloužil jako měnový standard více než tisíc let. S přibývajícími staletími – křesťanská říše trvala 1130 let – měla Konstantinopol, sídlo říše, nabýt stejného významu jako říše sama; nakonec, i když se území prakticky zmenšila, hlavní město přetrvalo.
Konstantinovy nové městské hradby ztrojnásobily rozlohu Byzance, která nyní obsahovala císařské budovy, jako byl dokončený Hippodrom započatý Septimiem Severem, obrovský palác, zákonodárné sály, několik impozantních kostelů a ulice vyzdobené množstvím soch převzatých z konkurenčních měst. Kromě dalších lákadel hlavního města dostávali ti osadníci, kteří zaplní prázdné končiny za starými hradbami, zdarma chléb a občanství. Dále zde byli vítáni křesťané, panovala zde tolerance k jiným vyznáním a vstřícnost vůči Židům.
Konstantinopol byla také církevním centrem. V roce 381 se stala sídlem patriarchy, který byl druhý po římském biskupovi; konstantinopolský patriarcha je dodnes nominální hlavou pravoslavné církve. Konstantin zahájil první ekumenické koncily; prvních šest se konalo v Konstantinopoli nebo v její blízkosti. V 5. a 6. století se císaři zabývali vymýšlením prostředků, jak udržet monofyzity připojené k říši. V 8. a 9. století byla Konstantinopol centrem boje mezi ikonoklasty a obhájci ikon. Záležitost vyřešil až sedmý ekumenický koncil proti ikonoklastům, ale ne dříve, než bylo prolito mnoho krve a zničeno nespočet uměleckých děl. Východní a západní křídlo církve se od sebe stále více vzdalovalo a po staletích doktrinálních neshod mezi Římem a Konstantinopolí došlo v 11. století ke schizmatu. Papež původně schválil vyplenění Konstantinopole v roce 1204, poté ho odsoudil. Tváří v tvář tureckému ohrožení města byly učiněny různé pokusy o zacelení trhliny, ale rozdělující síly podezíravosti a doktrinálních rozdílů byly příliš silné.
Koncem 4. století se Konstantinovy hradby staly pro bohatou a lidnatou metropoli příliš omezující. Svatý Jan Chrysostom, který psal na konci tohoto století, uvedl, že mnozí šlechtici měli 10 až 20 domů a vlastnili 1 až 2 000 otroků. Dveře byly často vyrobeny ze slonoviny, podlahy byly z mozaiky nebo byly pokryty drahými koberci a postele a pohovky byly obloženy drahými kovy.
Tlak obyvatelstva zevnitř a hrozba barbarů zvenčí přiměly ke stavbě hradeb dále do vnitrozemí v cípu poloostrova. Tyto nové hradby z počátku 5. století, postavené za vlády Theodosia II. jsou těmi, které stojí dodnes.
Za vlády Justiniána I. (527-565) dosáhla středověká Konstantinopol svého zenitu. Na počátku této vlády se počet obyvatel odhaduje na přibližně 500 000. V té době zde žilo asi 200 000 obyvatel. V roce 532 byla velká část města vypálena a mnoho obyvatel zabito při potlačování povstání Nika, povstání hippodromských frakcí. Obnova zpustošeného města dala Justiniánovi příležitost k velkolepému stavebnímu programu, z něhož se dodnes zachovalo mnoho staveb.
V roce 542 město postihl mor, který údajně zabil tři z pěti obyvatel; od této katastrofy se datuje úpadek Konstantinopole. Nejen hlavní město, ale celá říše chřadla a pomalá obnova byla patrná až v 9. století. V tomto období bylo město často obléháno – Peršany a Avary (626), Araby (674 až 678 a znovu 717 až 718), Bulhary (813 a 913), Rusy (860, 941 a 1043) a potulným turkickým národem, Pečeněhy (1090-91). Všichni byli neúspěšní.
V roce 1082 byly Benátčanům přiděleny čtvrti v samotném městě (dříve existoval kanton pro cizí obchodníky na Galatě za Zlatým rohem) se zvláštními obchodními výsadami. Později se k nim připojili Pisánci, Amalfitánci, Janovci a další. Tyto italské skupiny brzy získaly nadvládu nad zahraničním obchodem ve městě – monopol, který byl nakonec prolomen masakrem Italů. Po nějakou dobu nebylo italským obchodníkům dovoleno znovu se usadit v Galatě.
V roce 1203 se vojska čtvrté křížové výpravy, odkloněná od svého cíle ve Svaté zemi, objevila před Konstantinopolí – údajně proto, aby obnovila legitimního byzantského císaře Izáka II. Město sice padlo, ale po dobu jednoho roku zůstalo pod vlastní vládou. Dne 13. dubna 1204 však křižáci vtrhli do města, aby ho vyplenili. Po všeobecném masakru pokračovalo drancování ještě několik let. Křižáčtí rytíři dosadili jednoho z nich, Balduina Flanderského, za císaře a Benátčané – hlavní iniciátoři křížové výpravy – převzali kontrolu nad církví. Zatímco Latinové si mezi sebou rozdělili zbytek říše, Byzantinci se usadili za Bosporem v Nikáji (dnešní Iznik) a v Epiru (dnešní severozápadní Řecko). Období latinské nadvlády (1204 až 1261) bylo v dějinách Konstantinopole nejkatastrofálnější. Dokonce i bronzové sochy byly roztaveny na mince; vše, co mělo nějakou hodnotu, bylo zabaveno. Posvátné relikvie byly vytrhány ze svatyní a rozeslány do náboženských zařízení v západní Evropě.
V roce 1261 Konstantinopol znovu dobyl řecký císař Michael VIII (Paleologus) z Nikáje. Následující dvě století vedla zmenšená Byzantská říše, ohrožovaná jak ze Západu, tak rostoucí mocí osmanských Turků v Malé Asii, nejistou existenci. Koncem 13. a počátkem 14. století byly provedeny některé stavební úpravy, ale poté město chátralo, bylo plné ruin a pustých ploch, což kontrastovalo s prosperujícím stavem Galaty na druhém břehu Zlatého rohu, kterou byzantský panovník Michal VIII. daroval Janovu. Když v polovině 14. století pronikli do Evropy Turci, byl osud Konstantinopole zpečetěn. Nevyhnutelný konec oddálila porážka Turků z rukou Timura (Tamerlána) v roce 1402, ale v roce 1422 osmanský turecký sultán Murad II. oblehl Konstantinopol. Tento pokus se nezdařil, aby se o 30 let později opakoval. V roce 1452 přistoupil další osmanský sultán Mehmed II. k blokádě Bosporu vybudováním silné pevnosti v jeho nejužším místě; tato pevnost, zvaná Rumelihisarı, dodnes tvoří jednu z hlavních dominant úžiny. Obléhání města začalo v dubnu 1453. Turci měli nejen drtivou početní převahu, ale také děla, která prolomila starobylé hradby. Zlatý roh byl chráněn řetězem, ale sultánovi se podařilo přetáhnout své loďstvo po souši z Bosporu do Zlatého rohu. Konečný útok byl proveden 29. května a navzdory zoufalému odporu obyvatel, kterým pomáhali Janovští, město padlo. Poslední byzantský císař Konstantin XI. (Palaeologus) byl v bitvě zabit. Po tři dny bylo město vydáno napospas drancování a masakrům, poté byl sultánem obnoven pořádek.