Kolmen viikon kuluessa voitostaan Uuden Rooman perustamisriitit suoritettiin, ja paljon suurempi kaupunki vihittiin virallisesti käyttöön 11. toukokuuta 330. Se oli valtavan historiallisen ennusmerkin teko. Konstantinopolista oli tulossa yksi maailman suurista pääkaupungeista, keisarillisen ja uskonnollisen vallan lähde, valtavan rikkauden ja kauneuden kaupunki ja läntisen maailman tärkein kaupunki. Italian merivaltioiden nousuun asti se oli ensimmäinen kauppakaupunki sekä 1100-luvun puoliväliin asti Euroopan vahvimman ja arvostetuimman suurvallan pääkaupunki.
Konstantinuksen pääkaupunkivalinnalla oli syvällisiä vaikutuksia antiikin kreikkalaiseen ja roomalaiseen maailmaan. Se syrjäytti Rooman valtakunnan valtakeskuksen siirtämällä sen itään ja sai aikaan Kreikan ensimmäisen kestävän yhdistymisen. Kulttuurisesti Konstantinopoli edisti itämaisten ja länsimaisten tapojen, taiteen ja arkkitehtuurin yhdistymistä. Uskonto oli kristillinen, organisaatio roomalainen ja kieli ja elämänkatsomus kreikkalainen. Siellä kehittyi käsitys kuninkaiden jumalallisesta oikeudesta, hallitsijoista, jotka olivat uskon puolustajia – toisin kuin kuningas itse jumalallisena – ja jotka olivat jumalallisia. Konstantinuksen kultainen solidus säilytti arvonsa ja toimi rahayksikkönä yli tuhat vuotta. Vuosisatojen kuluessa – kristillinen valtakunta kesti 1130 vuotta – Konstantinopolista, valtakunnan pääkaupungista, tuli yhtä tärkeä kuin valtakunnasta itsestään; lopulta pääkaupunki säilyi, vaikka alueet olivat käytännössä kutistuneet, mutta pääkaupunki säilyi.
Konstantinuksen uudet kaupunginmuurit kolminkertaistivat Bysantin koon, joka sisälsi nyt keisarillisia rakennuksia, kuten Septimius Severuksen aloittaman, valmiiksi rakennetun Hippodromin, valtavan palatsin, lainsäätäjien saleja, useita mahtipontisia kirkkoja ja katuja, joita koristivat lukuisat kilpailevista kaupungeista otetut patsaat. Pääkaupungin muiden nähtävyyksien lisäksi niille uudisasukkaille, jotka täyttivät tyhjät alueet vanhojen muurien takana, tarjottiin ilmaista leipää ja kansalaisuutta. Lisäksi kristityt toivotettiin tervetulleiksi, muita uskontoja suvaittiin ja juutalaisia kohtaan osoitettiin hyväntahtoisuutta.
Konstantinopoli oli myös kirkollinen keskus. Vuonna 381 siitä tuli patriarkan kotipaikka, joka oli Rooman piispan jälkeen toiseksi tärkein; Konstantinopolin patriarkka on edelleen ortodoksisen kirkon nimellinen päämies. Konstantinus avasi ensimmäiset ekumeeniset kirkolliskokoukset; kuusi ensimmäistä pidettiin Konstantinopolissa tai sen lähellä. Viidennellä ja kuudennella vuosisadalla keisarit miettivät keinoja, joilla monofysiitit saataisiin pidettyä kiinni valtakunnassa. Kahdeksannella ja yhdeksännellä vuosisadalla Konstantinopoli oli ikoniklastien ja ikonien puolustajien välisen taistelun keskus. Seitsemäs ekumeeninen konsiili ratkaisi asian ikoninpalvojia vastaan, mutta ei ennen kuin paljon verta oli vuodatettu ja lukemattomia taideteoksia tuhottu. Kirkon itäinen ja läntinen siipi etääntyivät entisestään toisistaan, ja vuosisatoja kestäneiden opillisten erimielisyyksien jälkeen Rooman ja Konstantinopolin välillä tapahtui skisma 1100-luvulla. Paavi alun perin hyväksyi Konstantinopolin ryöstön vuonna 1204, sitten tuomitsi sen. Kaupunkiin kohdistuneen turkkilaisen uhan edessä tehtiin erilaisia yrityksiä kuilun paikkaamiseksi, mutta epäluulon ja opillisten erimielisyyksien jakavat voimat olivat liian voimakkaita.
4. vuosisadan lopulla Konstantinuksen muurit olivat tulleet liian ahtaiksi rikkaalle ja väkirikkaalle metropolille. Pyhä Johannes Krysostomos, joka kirjoitti tuon vuosisadan lopulla, sanoi, että monilla aatelisilla oli 10-20 taloa ja he omistivat 1-2 000 orjaa. Ovet oli usein tehty norsunluusta, lattiat olivat mosaiikkia tai ne oli päällystetty kalliilla matoilla, ja sängyt ja sohvat oli päällystetty jalometalleilla.
Väestöpaine sisäpuolelta ja barbaarien aiheuttama uhka ulkopuolelta saivat aikaan muurien rakentamisen kauemmas sisämaahan niemimaan kupeeseen. Nämä 5. vuosisadan alkupuolella, Theodosius II:n aikana rakennetut uudet muurit ovat ne, jotka ovat nykyäänkin pystyssä.
Justinianus I:n (527-565) aikana keskiaikainen Konstantinopoli saavutti huippunsa. Tämän valtakauden alussa väkiluvun arvioidaan olleen noin 500 000. Vuonna 532 suuri osa kaupungista poltettiin ja monet asukkaat tapettiin Hippodromin ryhmittymien Nika-kapinan, kapinan, tukahduttamisen yhteydessä. Tuhoutuneen kaupungin jälleenrakentaminen antoi Justinianukselle tilaisuuden ryhtyä upeaan rakennusohjelmaan, josta on yhä jäljellä monia rakennuksia.
Vuonna 542 kaupunkiin iski rutto, jonka sanotaan tappaneen kolme viidestä asukkaasta; Konstantinopolin taantuminen juontaa juurensa tästä katastrofista. Ei vain pääkaupunki vaan koko valtakunta kuihtui, ja hidasta elpymistä oli nähtävissä vasta 9. vuosisadalla. Tänä aikana kaupunkia piirittivät usein persialaiset ja avarit (626), arabit (674-678 ja uudelleen 717-718), bulgarit (813 ja 913), venäläiset (860, 941 ja 1043) sekä vaeltava turkkilaiskansa, pechenegit (1090-91). Kaikki eivät onnistuneet.
Vuonna 1082 venetsialaiset saivat asuinalueet itse kaupungissa (aiemmin oli ulkomaalaisille kauppiaille tarkoitettu kantonmentti Galatassa Kultaisen sarven toisella puolella), ja heillä oli erityiset kaupankäyntioikeudet. Myöhemmin heihin liittyivät pisalaiset, amalfitanilaiset, genovalaiset ja muut. Nämä italialaisryhmät saivat pian kuristusotteen kaupungin ulkomaankaupasta – monopoli, joka lopulta murrettiin italialaisten joukkomurhalla. Italialaisten kauppiaiden ei sallittu vähään aikaan enää asettua Galataan.
Vuonna 1203 neljännen ristiretken armeijat, jotka olivat harhautuneet tavoitteestaan Pyhässä maassa, ilmestyivät Konstantinopolin edustalle – muka palauttaakseen takaisin Bysantin laillisen keisarin Iisak II:n. Vaikka kaupunki kaatui, se pysyi vuoden ajan oman hallituksensa alaisena. Huhtikuun 13. päivänä 1204 ristiretkeläiset kuitenkin ryntäsivät kaupunkiin ryöstääkseen sen. Yleisen verilöylyn jälkeen ryöstely jatkui vuosia. Ristiretkeläisritarit asettivat yhden heistä, Baldwin Flanderin, keisariksi, ja venetsialaiset – ristiretken pääaiheuttajat – ottivat kirkon hallintaansa. Latinalaiset jakoivat loput valtakunnasta keskenään, kun taas bysanttilaiset linnoittautuivat Bosporin toiselle puolelle Nikeaan (nyk. İznik) ja Epirukseen (nyk. Luoteis-Kreikka). Latinalaishallinnon aika (1204-1261) oli Konstantinopolin historian tuhoisinta aikaa. Jopa pronssipatsaat sulatettiin kolikoiksi; kaikki arvokas vietiin. Pyhät pyhäinjäännökset revittiin pyhäköistä ja lähetettiin Länsi-Euroopan uskonnollisiin laitoksiin.
Vuonna 1261 Konstantinopolin valtasi takaisin Nikean kreikkalainen keisari Mikael VIII (Paleologos). Seuraavat kaksi vuosisataa kutistunut Bysantin keisarikunta, jota uhkasi sekä lännestä että ottomaanien turkkilaisten nouseva valta Vähä-Aasiassa, eli epävarmaa elämää. Joitakin rakennustöitä tehtiin 1200-luvun lopulla ja 1300-luvun alussa, mutta sen jälkeen kaupunki oli rappeutumassa, täynnä raunioita ja autioita alueita, mikä oli ristiriidassa Kultaisen sarven toisella puolella sijaitsevan Galatan vauraan tilan kanssa, jonka Bysantin hallitsija Mikael VIII oli myöntänyt genovalaisille. Kun turkkilaiset tunkeutuivat Eurooppaan 1300-luvun puolivälissä, Konstantinopolin kohtalo oli sinetöity. Väistämätöntä loppua hidasti turkkilaisten tappio Timurille (Tamerlanille) vuonna 1402, mutta vuonna 1422 Turkin ottomaanisulttaani Murad II piiritti Konstantinopolin. Tämä yritys epäonnistui, mutta se toistui 30 vuotta myöhemmin. Vuonna 1452 toinen ottomaanisulttaani Mehmed II sulki Bosporin rakentamalla sen kapeimpaan kohtaan vahvan linnoituksen; tämä Rumelihisarı-niminen linnoitus on edelleen yksi salmen tärkeimmistä maamerkeistä. Kaupungin piiritys alkoi huhtikuussa 1453. Turkkilaisilla oli paitsi ylivoimainen lukumääräinen ylivoima myös tykkejä, jotka rikkoivat muinaiset muurit. Kultainen sarvi oli suojattu ketjulla, mutta sulttaani onnistui vetämään laivastonsa maitse Bosporista Kultaiseen sarveen. Lopullinen hyökkäys tehtiin 29. toukokuuta, ja genovalaisten avustamien asukkaiden epätoivoisesta vastarinnasta huolimatta kaupunki kaatui. Viimeinen Bysantin keisari Konstantinus XI (Palaeologos) kaatui taistelussa. Kaupunki oli kolmen päivän ajan ryöstelyn ja verilöylyn armoilla, minkä jälkeen sulttaani palautti järjestyksen.