Binnen drie weken na zijn overwinning werden de stichtingsriten van het Nieuwe Rome voltrokken, en werd de veel grotere stad officieel ingewijd op 11 mei 330. Het was een daad van groot historisch belang. Constantinopel zou een van de grote wereldhoofdsteden worden, een bron van keizerlijke en religieuze macht, een stad van enorme rijkdom en schoonheid, en de belangrijkste stad van de westerse wereld. Tot de opkomst van de Italiaanse maritieme staten was het de eerste stad in de handel en tevens de belangrijkste stad van wat tot het midden van de 11e eeuw de sterkste en meest prestigieuze macht in Europa was.
De keuze van Constantinopel als hoofdstad had diepgaande gevolgen voor de oude Griekse en Romeinse wereld. Het machtscentrum van het Romeinse Rijk werd verplaatst naar het oosten en de eerste duurzame eenwording van Griekenland werd bereikt. Cultureel gezien bevorderde Constantinopel een samensmelting van Oosterse en Westerse gebruiken, kunst en architectuur. De godsdienst was christelijk, de organisatie Romeins, en de taal en opvattingen Grieks. Het concept van het goddelijk recht van koningen, heersers die verdedigers van het geloof waren – in tegenstelling tot de koning als goddelijke zelf – werd er ontwikkeld. De gouden solidus van Constantijn behield zijn waarde en diende als monetaire standaard voor meer dan duizend jaar. Naarmate de eeuwen verstreken – het christelijke rijk duurde 1.130 jaar – werd Constantinopel, zetel van het rijk, even belangrijk als het rijk zelf; uiteindelijk, hoewel de gebieden vrijwel waren geslonken, bleef de hoofdstad bestaan.
Constantijns nieuwe stadsmuren verdrievoudigden de omvang van Byzantium, dat nu keizerlijke gebouwen bevatte, zoals de voltooide Hippodroom, begonnen door Septimius Severus, een enorm paleis, wetgevende zalen, verscheidene imposante kerken, en straten versierd met massa’s standbeelden, ontleend aan rivaliserende steden. Naast andere attracties van de hoofdstad werden gratis brood en burgerschap geschonken aan de kolonisten die de lege gebieden buiten de oude muren zouden vullen. Bovendien waren de christenen er welkom, werden andere geloofsovertuigingen getolereerd en was men welwillend tegenover de joden.
Constantinopel was ook een kerkelijk centrum. In 381 werd het de zetel van een patriarch die de tweede plaats innam na de bisschop van Rome; de patriarch van Constantinopel is nog steeds het nominale hoofd van de orthodoxe kerk. Constantijn gaf de aanzet tot de eerste oecumenische concilies; de eerste zes werden in of nabij Constantinopel gehouden. In de 5e en 6e eeuw waren de keizers bezig met het bedenken van middelen om de Monofysieten aan het rijk gebonden te houden. In de 8e en 9e eeuw was Constantinopel het centrum van de strijd tussen de iconoclasten en de verdedigers van de iconen. De zaak werd beslecht door het zevende oecumenische concilie tegen de beeldenstormers, maar niet voordat veel bloed was vergoten en talloze kunstwerken waren vernietigd. De oostelijke en westelijke vleugels van de kerk groeiden verder uit elkaar, en na eeuwen van onenigheid over de leer tussen Rome en Constantinopel kwam het in de 11e eeuw tot een schisma. De paus keurde aanvankelijk de inname van Constantinopel in 1204 goed, maar keurde deze vervolgens af. Verschillende pogingen werden ondernomen om de breuk te helen met het oog op de Turkse dreiging voor de stad, maar de splijtzwammen van achterdocht en leerstellige meningsverschillen waren te sterk.
Tegen het einde van de 4e eeuw waren de muren van Constantinopel te beperkend geworden voor de rijke en dichtbevolkte metropool. Johannes Chrysostom, die aan het eind van die eeuw schreef, zei dat veel edelen 10 tot 20 huizen hadden en 1 tot 2.000 slaven bezaten. Deuren waren vaak van ivoor, vloeren waren van mozaïek of waren bedekt met kostbare tapijten, en bedden en banken waren bedekt met edele metalen.
De bevolkingsdruk van binnenuit, en de barbaarse dreiging van buitenaf, zette aan tot de bouw van muren verder landinwaarts aan de rand van het schiereiland. Deze nieuwe muren uit het begin van de 5e eeuw, gebouwd in de regeerperiode van Theodosius II, zijn de muren die er nu nog staan.
In de regeerperiode van Justinianus I (527-565) bereikte het middeleeuwse Constantinopel zijn hoogtepunt. Aan het begin van dit bewind werd de bevolking geschat op ongeveer 500.000. In 532 werd een groot deel van de stad in brand gestoken en een groot deel van de bevolking gedood tijdens de onderdrukking van de Nika-opstand, een opstand van de Hippodroom-facties. De wederopbouw van de verwoeste stad gaf Justinianus de gelegenheid zich bezig te houden met een programma van grootse bouwwerken, waarvan nog vele gebouwen resteren.
In 542 werd de stad getroffen door een pest die naar men zegt drie op de vijf inwoners het leven kostte; het verval van Constantinopel dateert van deze catastrofe. Niet alleen de hoofdstad, maar het gehele rijk kwijnde weg, en een langzaam herstel was pas in de 9e eeuw zichtbaar. Gedurende deze periode werd de stad vaak belegerd door de Perzen en de Avaren (626), de Arabieren (674 tot 678 en opnieuw van 717 tot 718), de Bulgaren (813 en 913), de Russen (860, 941 en 1043), en een rondtrekkend Turkisch volk, de Pechenegs (1090-91). Allen hadden geen succes.
In 1082 kregen de Venetianen kwartieren toegewezen in de stad zelf (er was eerder een kanton voor buitenlandse handelaren bij Galata aan de overkant van de Gouden Hoorn) met speciale handelsprivileges. Later kwamen daar Pisanen, Amalfitanen, Genuezen en anderen bij. Deze Italiaanse groepen kregen al snel een wurggreep op de buitenlandse handel van de stad – een monopolie dat uiteindelijk werd verbroken door een bloedbad onder de Italianen. Pas na enige tijd kregen Italiaanse handelaren weer toestemming zich in Galata te vestigen.
In 1203 verschenen de legers van de Vierde Kruistocht, afgewend van hun doel in het Heilige Land, voor Constantinopel – zogenaamd om de wettige Byzantijnse keizer, Isaac II, in ere te herstellen. Hoewel de stad viel, bleef zij nog een jaar onder haar eigen regering. Op 13 april 1204 drongen de kruisvaarders de stad echter binnen om haar te plunderen. Na een algemeen bloedbad duurde de plundering nog jaren. De kruisridders installeerden een van hen, Baldwin van Vlaanderen, als keizer, en de Venetianen – de belangrijkste aanstichters van de kruistocht – namen de controle over de kerk over. Terwijl de Latijnen de rest van het rijk onder elkaar verdeelden, verschansten de Byzantijnen zich aan de overkant van de Bosporus bij Nicaea (nu Iznik) en in Epirus (nu Noordwest-Griekenland). De periode van de Latijnse overheersing (1204 tot 1261) was de meest rampzalige in de geschiedenis van Constantinopel. Zelfs de bronzen beelden werden omgesmolten voor munten; alles van waarde werd meegenomen. Heilige relikwieën werden uit de heiligdommen gerukt en naar religieuze instellingen in West-Europa gestuurd.
In 1261 werd Constantinopel heroverd door Michael VIII (Palaeologus), de Griekse keizer van Nicaea. Gedurende de volgende twee eeuwen leidde het gekrompen Byzantijnse Rijk, dat zowel vanuit het Westen als door de opkomende macht van de Ottomaanse Turken in Klein-Azië werd bedreigd, een onzeker bestaan. Aan het eind van de 13e en het begin van de 14e eeuw werd er wat gebouwd, maar daarna raakte de stad in verval, met ruïnes en verlaten terreinen, in tegenstelling tot het welvarende Galata aan de overkant van de Gouden Hoorn, dat door de Byzantijnse heerser Michael VIII aan de Genuezen was geschonken. Toen de Turken in het midden van de 14e eeuw Europa binnentrokken, was het lot van Constantinopel bezegeld. Het onvermijdelijke einde werd vertraagd door de nederlaag van de Turken door toedoen van Timur (Tamerlane) in 1402; maar in 1422 belegerde de Ottomaanse sultan van Turkije, Murad II, Constantinopel. Deze poging mislukte, maar werd 30 jaar later herhaald. In 1452 ging een andere Osmaanse sultan, Mehmed II, over tot de blokkade van de Bosporus door op het smalste punt een sterke vesting op te richten; deze vesting, Rumelihisarı genaamd, vormt nog steeds een van de voornaamste herkenningspunten van de zeestraat. De belegering van de stad begon in april 1453. De Turken hadden niet alleen een overweldigend numeriek overwicht, maar ook kanonnen die de oude muren doorbraken. De Gouden Hoorn werd beschermd door een ketting, maar de sultan slaagde erin zijn vloot over land van de Bosporus naar de Gouden Hoorn te trekken. De definitieve aanval vond plaats op 29 mei en ondanks de wanhopige tegenstand van de inwoners, geholpen door de Genuezen, viel de stad. De laatste Byzantijnse keizer, Constantijn XI (Palaeologus), sneuvelde in de strijd. Drie dagen lang was de stad overgeleverd aan plundering en slachting, waarna de orde werd hersteld door de sultan.