A las tres semanas de su victoria, se llevaron a cabo los ritos de fundación de la Nueva Roma, y la muy ampliada ciudad fue inaugurada oficialmente el 11 de mayo de 330. Fue un acto de gran significado histórico. Constantinopla se convertiría en una de las grandes capitales del mundo, una fuente de poder imperial y religioso, una ciudad de gran riqueza y belleza, y la principal ciudad del mundo occidental. Hasta el surgimiento de los estados marítimos italianos, fue la primera ciudad en comercio, así como la ciudad principal de la que fue hasta mediados del siglo XI la potencia más fuerte y prestigiosa de Europa.
La elección de Constantino como capital tuvo profundos efectos en los antiguos mundos griego y romano. Desplazó el centro de poder del Imperio Romano, desplazándolo hacia el este, y logró la primera unificación duradera de Grecia. Culturalmente, Constantinopla fomentó una fusión de costumbres, arte y arquitectura orientales y occidentales. La religión era cristiana, la organización romana y la lengua y la perspectiva griegas. El concepto del derecho divino de los reyes, gobernantes que eran defensores de la fe -en contraposición al rey como divino- se desarrolló allí. El solideo de oro de Constantino conservó su valor y sirvió de patrón monetario durante más de mil años. Con el paso de los siglos -el imperio cristiano duró 1.130 años- Constantinopla, sede del imperio, llegó a ser tan importante como el propio imperio; al final, aunque los territorios prácticamente se habían reducido, la capital perduró.
Las nuevas murallas de Constantinopla triplicaron el tamaño de Bizancio, que ahora contaba con edificios imperiales, como el Hipódromo terminado iniciado por Septimio Severo, un enorme palacio, salas legislativas, varias iglesias imponentes y calles decoradas con multitud de estatuas tomadas de ciudades rivales. Además de otros atractivos de la capital, se concedía pan y ciudadanía gratis a los colonos que llenaran los tramos vacíos más allá de las antiguas murallas. Había, además, acogida para los cristianos, tolerancia hacia otras creencias y benevolencia hacia los judíos.
Constantinopla era también un centro eclesiástico. En el año 381 se convirtió en la sede de un patriarca que sólo era superado por el obispo de Roma; el patriarca de Constantinopla sigue siendo el jefe nominal de la iglesia ortodoxa. Constantino inauguró los primeros concilios ecuménicos; los seis primeros se celebraron en Constantinopla o sus alrededores. En los siglos V y VI los emperadores se dedicaron a idear medios para mantener a los monofisitas unidos al reino. En los siglos VIII y IX, Constantinopla fue el centro de la batalla entre los iconoclastas y los defensores de los iconos. El séptimo concilio ecuménico resolvió el asunto contra los iconoclastas, pero no antes de que se derramara mucha sangre y se destruyeran innumerables obras de arte. Las alas orientales y occidentales de la Iglesia se distanciaron aún más, y tras siglos de desacuerdo doctrinal entre Roma y Constantinopla se produjo un cisma en el siglo XI. En un principio, el Papa aprobó el saqueo de Constantinopla en 1204, pero luego lo condenó. Se hicieron varios intentos de cerrar la brecha ante la amenaza turca a la ciudad, pero las fuerzas divisorias de la sospecha y la divergencia doctrinal eran demasiado fuertes.
A finales del siglo IV, las murallas de Constantino se habían convertido en demasiado confinadas para la rica y populosa metrópoli. San Juan Crisóstomo, escribiendo a finales de ese siglo, dijo que muchos nobles tenían de 10 a 20 casas y poseían de 1 a 2.000 esclavos. Las puertas eran a menudo de marfil, los suelos eran de mosaico o estaban cubiertos de costosas alfombras, y las camas y los sofás estaban recubiertos de metales preciosos.
La presión demográfica desde el interior, y la amenaza bárbara desde el exterior, impulsaron la construcción de murallas más al interior de la península. Estas nuevas murallas de principios del siglo V, construidas en el reinado de Teodosio II, son las que se mantienen en la actualidad.
En el reinado de Justiniano I (527-565) la Constantinopla medieval alcanzó su apogeo. Se calcula que al principio de este reinado la población era de unos 500.000 habitantes. En 532 gran parte de la ciudad fue incendiada y gran parte de la población asesinada en el transcurso de la represión de la Insurrección de Nika, un levantamiento de las facciones de los hipódromos. La reconstrucción de la ciudad devastada dio a Justiniano la oportunidad de emprender un programa de magníficas construcciones, de las que aún se conservan muchos edificios.
En el año 542 la ciudad fue azotada por una peste que se dice que mató a tres de cada cinco habitantes; la decadencia de Constantinopla data de esta catástrofe. No sólo la capital sino todo el imperio languideció, y la lenta recuperación no fue visible hasta el siglo IX. Durante este periodo, la ciudad fue asediada con frecuencia por los persas y los ávaros (626), los árabes (674 a 678 y de nuevo de 717 a 718), los búlgaros (813 y 913), los rusos (860, 941 y 1043) y un pueblo turco errante, los pechenegos (1090-91). En 1082, a los venecianos se les asignaron cuarteles en la propia ciudad (antes había un acantonamiento para comerciantes extranjeros en Gálata, al otro lado del Cuerno de Oro) con privilegios comerciales especiales. Más tarde se les unieron pisanos, amalfitanos, genoveses y otros. Estos grupos italianos no tardaron en hacerse con el control del comercio exterior de la ciudad, monopolio que finalmente se rompió con una masacre de italianos. En 1203, los ejércitos de la Cuarta Cruzada, desviados de su objetivo en Tierra Santa, se presentaron ante Constantinopla, supuestamente para restaurar al legítimo emperador bizantino, Isaac II. Aunque la ciudad cayó, permaneció bajo su propio gobierno durante un año. Sin embargo, el 13 de abril de 1204, los cruzados irrumpieron en la ciudad para saquearla. Tras una masacre general, el saqueo se prolongó durante años. Los caballeros cruzados instalaron a uno de ellos, Balduino de Flandes, como emperador, y los venecianos -principales instigadores de la Cruzada- tomaron el control de la iglesia. Mientras los latinos se repartían el resto del reino, los bizantinos se atrincheraron al otro lado del Bósforo, en Nicea (actual İznik) y en el Epiro (actual noroeste de Grecia). El periodo de dominio latino (1204 a 1261) fue el más desastroso de la historia de Constantinopla. Incluso las estatuas de bronce fueron fundidas para obtener monedas; todo lo de valor fue tomado. Las reliquias sagradas fueron arrancadas de los santuarios y enviadas a establecimientos religiosos de Europa occidental.
En 1261 Constantinopla fue retomada por Miguel VIII (Paleólogo), emperador griego de Nicea. Durante los dos siglos siguientes, el reducido Imperio Bizantino, amenazado tanto por Occidente como por el creciente poder de los turcos otomanos en Asia Menor, llevó una existencia precaria. A finales del siglo XIII y principios del XIV se llevaron a cabo algunas construcciones, pero a partir de entonces la ciudad estuvo en decadencia, llena de ruinas y extensiones de terreno abandonado, lo que contrasta con la próspera situación de Gálata, al otro lado del Cuerno de Oro, que había sido concedida a los genoveses por el gobernante bizantino Miguel VIII. Cuando los turcos entraron en Europa a mediados del siglo XIV, el destino de Constantinopla quedó sellado. El inevitable final se retrasó con la derrota de los turcos a manos de Timur (Tamerlán) en 1402; pero en 1422 el sultán otomano de Turquía, Murad II, puso sitio a Constantinopla. Este intento fracasó, pero se repitió 30 años después. En 1452, otro sultán otomano, Mehmed II, procedió a bloquear el Bósforo mediante la construcción de una fuerte fortaleza en su punto más estrecho; esta fortaleza, llamada Rumelihisarı, sigue siendo uno de los principales hitos del estrecho. El asedio de la ciudad comenzó en abril de 1453. Los turcos no sólo contaban con una abrumadora superioridad numérica, sino también con cañones que atravesaban las antiguas murallas. El Cuerno de Oro estaba protegido por una cadena, pero el sultán consiguió arrastrar su flota por tierra desde el Bósforo hasta el Cuerno de Oro. El asalto final se produjo el 29 de mayo y, a pesar de la desesperada resistencia de los habitantes ayudados por los genoveses, la ciudad cayó. El último emperador bizantino, Constantino XI (Paleólogo), murió en la batalla. Durante tres días la ciudad quedó abandonada al pillaje y la masacre, tras lo cual el sultán restableció el orden.