W ciągu trzech tygodni od zwycięstwa dokonano obrzędów założycielskich Nowego Rzymu, a 11 maja 330 r. oficjalnie zainaugurowano działalność znacznie powiększonego miasta. Był to akt o ogromnym znaczeniu historycznym. Konstantynopol miał się stać jedną z wielkich stolic świata, źródłem władzy cesarskiej i religijnej, miastem ogromnego bogactwa i piękna, a także głównym miastem świata zachodniego. Do czasu powstania włoskich państw morskich było to pierwsze miasto handlowe, a także główne miasto tego, co do połowy XI wieku było najsilniejszą i najbardziej prestiżową potęgą w Europie.
Wybór stolicy przez Konstantyna miał głęboki wpływ na starożytny świat grecki i rzymski. Wyparł on centrum władzy Imperium Rzymskiego, przesuwając je na wschód, i dokonał pierwszego trwałego zjednoczenia Grecji. Pod względem kulturowym Konstantynopol sprzyjał fuzji orientalnych i zachodnich zwyczajów, sztuki i architektury. Religia była chrześcijańska, organizacja rzymska, a język i poglądy greckie. Rozwinęła się tam koncepcja boskiego prawa królów, władców, którzy byli obrońcami wiary – w przeciwieństwie do króla, który sam był boski. Złoty solidus Konstantyna zachował swoją wartość i służył jako standard monetarny przez ponad tysiąc lat. Z upływem wieków – chrześcijańskie imperium trwało 1130 lat – Konstantynopol, siedziba imperium, miał stać się równie ważny jak samo imperium; w końcu, choć terytoria praktycznie się skurczyły, stolica przetrwała.
Nowe mury miejskie Konstantyna potroiły rozmiary Bizancjum, w którym znajdowały się teraz budynki cesarskie, takie jak ukończony Hipodrom rozpoczęty przez Septymiusza Sewera, ogromny pałac, sale legislacyjne, kilka imponujących kościołów i ulice ozdobione mnóstwem posągów zabranych z miast rywali. Oprócz innych atrakcji stolicy, darmowy chleb i obywatelstwo były przyznawane tym osadnikom, którzy wypełniali puste przestrzenie za starymi murami. Chrześcijanie byli mile widziani, panowała tolerancja wobec innych wierzeń i życzliwość wobec Żydów.
Konstantynopol był również ośrodkiem kościelnym. W 381 r. stał się siedzibą patriarchy, który był drugim po biskupie Rzymu; patriarcha Konstantynopola jest do dziś nominalną głową kościoła prawosławnego. Konstantyn zainaugurował pierwsze sobory ekumeniczne; pierwszych sześć odbyło się w Konstantynopolu lub w jego pobliżu. W V i VI wieku cesarze byli zaangażowani w obmyślanie sposobów utrzymania monofizytów przy królestwie. W VIII i IX w. Konstantynopol był centrum walki między ikonoklastami a obrońcami ikon. Sprawa została rozstrzygnięta przez siódmy sobór ekumeniczny przeciwko ikonoklastom, ale nie wcześniej niż po rozlaniu dużej ilości krwi i zniszczeniu niezliczonych dzieł sztuki. Wschodnie i zachodnie skrzydła kościoła coraz bardziej się od siebie oddalały, a po wiekach sporów doktrynalnych między Rzymem a Konstantynopolem w XI wieku doszło do schizmy. Papież początkowo zaaprobował złupienie Konstantynopola w 1204 r., a następnie je potępił. Podejmowano różne próby uzdrowienia wyłomu w obliczu tureckiego zagrożenia miasta, ale dzielące siły podejrzliwości i doktrynalnej rozbieżności były zbyt silne.
Pod koniec IV wieku mury Konstantyna stały się zbyt ograniczające dla bogatej i ludnej metropolii. Święty Jan Chryzostom, piszący pod koniec tego wieku, powiedział, że wielu szlachciców miało od 10 do 20 domów i posiadało od 1 do 2000 niewolników. Drzwi były często wykonane z kości słoniowej, podłogi były z mozaiki lub były pokryte kosztownymi dywanami, a łóżka i kanapy były pokryte metalami szlachetnymi.
Populacja naciskała od wewnątrz, a zagrożenie barbarzyńców od zewnątrz, skłoniło do budowy murów dalej w głąb lądu na półwyspie. Te nowe mury z początku V wieku, zbudowane za panowania Teodozjusza II, są tymi, które stoją do dziś.
W czasach panowania Justyniana I (527-565) średniowieczny Konstantynopol osiągnął swój zenit. Na początku tego panowania liczbę ludności szacuje się na około 500 000. W 532 r. duża część miasta została spalona, a wielu mieszkańców zabitych w trakcie tłumienia powstania Nika, powstania frakcji Hipodromu. Odbudowa spustoszonego miasta dała Justynianowi okazję do zaangażowania się w program wspaniałych budowli, z których wiele pozostało do dziś.
W 542 roku miasto nawiedziła zaraza, która podobno zabiła trzech na pięciu mieszkańców; od tej katastrofy datuje się upadek Konstantynopola. Nie tylko stolica, ale i całe imperium podupadło, a powolna odbudowa była widoczna dopiero w IX wieku. W tym okresie miasto było często oblegane przez Persów i Awarów (626), Arabów (674 do 678 i ponownie od 717 do 718), Bułgarów (813 i 913), Rosjan (860, 941 i 1043) i wędrowny lud turkijski, Peczeninów (1090-91). Wszystkie były nieudane.
W 1082 roku Wenecjanom przyznano kwatery w samym mieście (wcześniej istniał kanton dla zagranicznych kupców w Galata po drugiej stronie Złotego Rogu) ze specjalnymi przywilejami handlowymi. Później dołączyli do nich Pisanie, Amalfitanie, Genueńczycy i inni. Te włoskie grupy wkrótce uzyskały kontrolę nad handlem zagranicznym w mieście – monopol, który został ostatecznie złamany przez masakrę Włochów. Dopiero po jakimś czasie włoskim kupcom pozwolono ponownie osiedlić się w Galacie.
W 1203 roku wojska czwartej krucjaty, oderwane od celu w Ziemi Świętej, pojawiły się przed Konstantynopolem – rzekomo po to, by przywrócić prawowitego cesarza bizantyjskiego, Izaaka II. Miasto wprawdzie upadło, ale przez rok pozostawało pod własnym rządem. Jednak 13 kwietnia 1204 r. krzyżowcy wdarli się do miasta, by je złupić. Po ogólnej masakrze, plądrowanie trwało przez lata. Rycerze krzyżowi zainstalowali jednego z siebie, Baldwina z Flandrii, jako cesarza, a Wenecjanie – główni inicjatorzy krucjaty – przejęli kontrolę nad kościołem. Podczas gdy Łacinnicy podzielili między siebie resztę królestwa, Bizantyjczycy umocnili się po drugiej stronie Bosforu w Nicaea (obecnie İznik) i w Epirze (obecnie północno-zachodnia Grecja). Okres panowania łacińskiego (1204-1261) był najbardziej katastrofalny w historii Konstantynopola. Nawet posągi z brązu zostały przetopione na monety; wszystko, co miało wartość, zostało zabrane. Święte relikwie zostały wyrwane z sanktuariów i wysłane do instytucji religijnych w zachodniej Europie.
W 1261 r. Konstantynopol został odzyskany przez Michała VIII (Palaeologus), greckiego cesarza z Nicei. Przez następne dwa stulecia skurczone Cesarstwo Bizantyjskie, zagrożone zarówno z Zachodu, jak i przez rosnącą potęgę Turków Osmańskich w Azji Mniejszej, prowadziło niepewną egzystencję. Niektóre budowy zostały przeprowadzone pod koniec XIII i na początku XIV wieku, ale później miasto podupadło, pełne ruin i pustynnych terenów, kontrastując z zamożnym stanem Galaty po drugiej stronie Złotego Rogu, która została przyznana Genueńczykom przez bizantyjskiego władcę Michała VIII. Kiedy w połowie XIV w. Turcy wkroczyli do Europy, los Konstantynopola był przesądzony. Nieuchronny koniec opóźniła klęska Turków z rąk Timura (Tamerlane) w 1402 r., ale w 1422 r. osmański sułtan Turcji Murad II obległ Konstantynopol. Próba ta nie powiodła się, ale została powtórzona 30 lat później. W 1452 r. inny sułtan osmański, Mehmed II, przystąpił do blokady Bosforu poprzez wzniesienie silnej fortecy w jego najwęższym punkcie; forteca ta, zwana Rumelihisarı, do dziś stanowi jeden z głównych punktów orientacyjnych cieśniny. Oblężenie miasta rozpoczęło się w kwietniu 1453 roku. Turcy mieli nie tylko przytłaczającą przewagę liczebną, ale także armaty, które naruszyły starożytne mury. Złoty Róg był chroniony przez łańcuch, ale sułtanowi udało się przeciągnąć swoją flotę drogą lądową z Bosforu do Złotego Rogu. Ostatecznego szturmu dokonano 29 maja i mimo desperackiego oporu mieszkańców wspomaganych przez Genueńczyków, miasto upadło. Ostatni cesarz bizantyjski, Konstantyn XI (Paleolog), zginął w bitwie. Przez trzy dni miasto było pozostawione na pastwę grabieży i masakry, po czym sułtan przywrócił w nim porządek.