I løbet af tre uger efter hans sejr blev grundlæggelsesritualerne for Det Nye Rom gennemført, og den meget store by blev officielt indviet den 11. maj 330. Det var en handling af stor historisk betydning. Konstantinopel skulle blive en af de store hovedstæder i verden, en kilde til kejserlig og religiøs magt, en by af enorm rigdom og skønhed og den vestlige verdens vigtigste by. Indtil de italienske søfartsstater opstod, var Konstantinopel den første by inden for handel og hovedbyen for det, der indtil midten af det 11. århundrede var den stærkeste og mest prestigefyldte magt i Europa.
Konstantins valg af hovedstad havde dybtgående konsekvenser for den græske og romerske verden i oldtiden. Det flyttede det romerske riges magtcentrum og flyttede det østpå, og det opnåede den første varige forening af Grækenland. Kulturelt set fremmede Konstantinopel en sammensmeltning af orientalske og vestlige skikke, kunst og arkitektur. Religionen var kristen, organisationen var romersk, og sproget og holdningen var græsk. Konceptet om kongernes guddommelige ret, herskere, der var troens forsvarere – i modsætning til kongen som guddommelig selv – blev udviklet der. Konstantins guldsolidus bevarede sin værdi og fungerede som monetær standard i mere end tusind år. Som århundrederne gik – det kristne imperium varede 1.130 år – skulle Konstantinopel, imperiets hovedsæde, blive lige så vigtigt som selve imperiet; til sidst, selv om territorierne praktisk talt var skrumpet ind, overlevede hovedstaden.
Constantins nye bymure tredoblede Byzans størrelse, som nu indeholdt kejserlige bygninger, såsom det færdige Hippodrom, der var påbegyndt af Septimius Severus, et enormt palads, lovgivende haller, flere imponerende kirker og gader, der var udsmykket med mængder af statuer, der var taget fra rivaliserende byer. Ud over andre af hovedstadens attraktioner blev der uddelt gratis brød og statsborgerskab til de nybyggere, der ville fylde de tomme områder uden for de gamle mure. Der var desuden en velkomst for kristne, en tolerance over for andre trosretninger og velvilje over for jøder.
Konstantinopel var også et kirkeligt centrum. I 381 blev det sæde for en patriark, der kun var næst efter biskoppen af Rom; patriarken af Konstantinopel er stadig det nominelle overhoved for den ortodokse kirke. Konstantin indviede de første økumeniske konciler; de første seks blev afholdt i eller i nærheden af Konstantinopel. I det 5. og 6. århundrede var kejsere optaget af at udtænke midler til at holde monofysitterne fast tilknyttet riget. I det 8. og 9. århundrede var Konstantinopel centrum for kampen mellem ikonoklastere og ikonernes forsvarere. Sagen blev afgjort af det syvende økumeniske koncil mod ikonoklasterne, men ikke før der var blevet spildt meget blod og ødelagt utallige kunstværker. Kirkens østlige og vestlige fløje trak sig yderligere fra hinanden, og efter århundreders doktrinær uenighed mellem Rom og Konstantinopel opstod der et skisma i det 11. århundrede. Paven godkendte oprindeligt plyndringen af Konstantinopel i 1204, hvorefter han forkastede den. Der blev gjort forskellige forsøg på at hele bruddet i lyset af den tyrkiske trussel mod byen, men de splittende kræfter i form af mistænksomhed og doktrinære divergenser var for stærke.
I slutningen af det 4. århundrede var Konstantins mure blevet for indsnævrende for den rige og folkerige metropol. Johannes Chrysostomos, der skrev i slutningen af dette århundrede, sagde, at mange adelsmænd havde 10 til 20 huse og ejede 1 til 2.000 slaver. Døre var ofte lavet af elfenben, gulve var af mosaik eller dækket af kostbare tæpper, og senge og sofaer var overtrukket med ædelmetaller.
Befolkningspresset indefra og den barbariske trussel udefra tilskyndede til, at man byggede mure længere inde i landet ved halvøens hyldest. Disse nye mure fra begyndelsen af det 5. århundrede, der blev bygget i Theodosius II’s regeringstid, er de mure, der står i dag.
I Justinian I’s regeringstid (527-565) nåede middelalderens Konstantinopel sit højdepunkt. I begyndelsen af denne regeringstid anslås befolkningen at have været omkring 500.000. I 532 blev en stor del af byen brændt ned, og mange af befolkningen blev dræbt i forbindelse med undertrykkelsen af Nika-opstanden, et oprør af Hippodrom-fraktionerne. Genopbygningen af den hærgede by gav Justinian mulighed for at gå i gang med et storslået byggeprogram, hvoraf mange bygninger stadig er tilbage.
I 542 blev byen ramt af en pest, som siges at have dræbt tre ud af fem indbyggere; Konstantinopels forfald stammer fra denne katastrofe. Ikke kun hovedstaden, men hele imperiet var i en vis alderdom, og først i det 9. århundrede kunne man se en langsom genopretning. I denne periode blev byen ofte belejret – af perserne og aarkerne (626), araberne (674-678 og igen fra 717-718), bulgarerne (813 og 913), russerne (860, 941 og 1043) og et omstrejfende turkisk folk, pechenegerne (1090-91). Alle var uden held.
I 1082 fik venetianerne tildelt kvarterer i selve byen (der var tidligere et kantonnement for udenlandske handelsmænd ved Galata på den anden side af Det Gyldne Horn) med særlige handelsprivilegier. Senere fik de følgeskab af pisanere, amalfitanere, genovianere og andre. Disse italienske grupper fik snart et kvælertag over byens udenrigshandel – et monopol, som til sidst blev brudt ved en massakre på italienere. Først efter nogen tid fik italienske handlende igen lov til at slå sig ned i Galata.
I 1203 dukkede hærene fra det fjerde korstog, der var blevet afledt fra deres mål i Det Hellige Land, op foran Konstantinopel – angiveligt for at genoprette den legitime byzantinske kejser, Isak II. Selv om byen faldt, forblev den under sin egen regering i et år. Den 13. april 1204 trængte korsfarerne imidlertid ind i byen for at plyndre den. Efter en generel massakre fortsatte plyndringen i årevis. Korsridderne indsatte en af dem selv, Baldwin af Flandern, som kejser, og venetianerne, som var hovedansvarlige for korstogene, overtog kontrollen med kirken. Mens latinerne delte resten af riget mellem sig, forskansede byzantinerne sig på den anden side af Bosporus i Nikæa (nu İznik) og i Epirus (nu det nordvestlige Grækenland). Perioden med latinsk styre (1204 til 1261) var den mest katastrofale i Konstantinopels historie. Selv bronzestatuerne blev smeltet om til mønter; alt af værdi blev taget. Hellige relikvier blev revet ud af helligdommene og sendt til religiøse institutioner i Vesteuropa.
I 1261 blev Konstantinopel generobret af Michael VIII (Palæologus), den græske kejser af Nikæa. I de næste to århundreder levede det skrumpede byzantinske rige, der var truet både fra vest og af de osmanniske tyrkers voksende magt i Lilleasien, en usikker tilværelse. I slutningen af det 13. og begyndelsen af det 14. århundrede blev der bygget en del, men herefter var byen i forfald, fuld af ruiner og øde områder, der stod i kontrast til Galata på den anden side af Det Gyldne Horn, som den byzantinske hersker Michael VIII. havde givet til genoeerne, og som var velstående. Da tyrkerne trængte ind i Europa i midten af det 14. århundrede, var Konstantinopels skæbne beseglet. Den uundgåelige afslutning blev forsinket af tyrkernes nederlag til Timur (Tamerlane) i 1402; men i 1422 belejrede den osmanniske sultan af Tyrkiet, Murad II, Konstantinopel. Dette forsøg mislykkedes, men blev gentaget 30 år senere. I 1452 begyndte en anden osmannisk sultan, Mehmed II, at blokere Bosporus ved at opføre en stærk fæstning på det smalleste sted; denne fæstning, kaldet Rumelihisarı, udgør stadig et af de vigtigste vartegn ved strædet. Belejringen af byen begyndte i april 1453. Tyrkerne havde ikke kun en overvældende numerisk overlegenhed, men også kanoner, der brød igennem de gamle mure. Det Gyldne Horn var beskyttet af en kæde, men det lykkedes sultanen at trække sin flåde over land fra Bosporus ind i Det Gyldne Horn. Det endelige angreb fandt sted den 29. maj, og på trods af indbyggernes desperate modstand, der blev hjulpet af genoveserne, faldt byen. Den sidste byzantinske kejser, Konstantin XI (Palaeologus), blev dræbt i kampen. I tre dage var byen overladt til plyndringer og massakrer, hvorefter ordenen blev genoprettet af sultanen.