Em três semanas de sua vitória, os ritos de fundação da Nova Roma foram realizados, e a cidade, tão ampliada, foi oficialmente inaugurada em 11 de maio de 330. Foi um ato de grande portento histórico. Constantinopla se tornaria uma das grandes capitais mundiais, uma fonte de poder imperial e religioso, uma cidade de vasta riqueza e beleza, e a principal cidade do mundo ocidental. Até a ascensão dos estados marítimos italianos, foi a primeira cidade do comércio, assim como a principal cidade do que foi até meados do século XI a mais forte e prestigiosa potência da Europa.
A escolha de Constantinopla como capital teve efeitos profundos sobre os antigos mundos grego e romano. Deslocou o centro de poder do Império Romano, deslocando-o para leste, e alcançou a primeira unificação duradoura da Grécia. Culturalmente, Constantinopla promoveu uma fusão de costumes, arte e arquitetura orientais e ocidentais. A religião era cristã, a organização romana, e a língua e a perspectiva grega. O conceito do direito divino dos reis, governantes que eram defensores da fé – como opostos ao próprio rei como divino – evoluiu ali. O ouro sólido de Constantino manteve o seu valor e serviu como um padrão monetário por mais de mil anos. Com o passar dos séculos – o império cristão durou 1.130 anos – Constantinopla, sede do império, deveria tornar-se tão importante quanto o próprio império; no final, embora os territórios tivessem virtualmente encolhido, o capital suportou.
As novas muralhas da cidade de Constantinopla triplicaram o tamanho da Bizâncio, que agora continha edifícios imperiais, como o completo Hipódromo iniciado por Septímio Severo, um enorme palácio, salas legislativas, várias igrejas imponentes, e ruas decoradas com multidão de estátuas tiradas de cidades rivais. Além de outras atrações da capital, o pão livre e a cidadania eram conferidos aos colonos que enchiam as ruas vazias para além das antigas muralhas. Havia, além disso, um acolhimento para os cristãos, tolerância para com outras crenças e benevolência para com os judeus.
Constantinopla era também um centro eclesiástico. Em 381 tornou-se a sede de um patriarca que era o segundo apenas do bispo de Roma; o patriarca de Constantinopla ainda é o chefe nominal da igreja ortodoxa. Constantinopla inaugurou os primeiros concílios ecumênicos; os primeiros seis foram realizados em Constantinopla ou perto dela. Nos séculos V e VI, os imperadores estavam empenhados em conceber meios para manter os monofísicos ligados ao reino. Nos séculos VIII e IX, Constantinopla foi o centro da batalha entre os iconoclastas e os defensores dos ícones. O assunto foi resolvido pelo sétimo conselho ecumênico contra os iconoclastas, mas não antes de muito sangue ter sido derramado e inúmeras obras de arte destruídas. As asas orientais e ocidentais da igreja afastaram-se ainda mais, e depois de séculos de desacordo doutrinário entre Roma e Constantinopla, um cisma ocorreu no século XI. O papa originalmente aprovou o saco de Constantinopla em 1204, depois o decretou. Várias tentativas foram feitas para curar a brecha diante da ameaça turca à cidade, mas as forças divisórias de suspeita e divergência doutrinária eram muito fortes.
Até o final do século IV, as muralhas de Constantinopla tinham se tornado confinadas demais para a metrópole rica e populosa. São João Crisóstomo, escrevendo no final daquele século, disse que muitos nobres tinham de 10 a 20 casas e possuíam de 1 a 2.000 escravos. Portas eram frequentemente feitas de marfim, pisos eram de mosaico ou cobertos de tapetes caros, e camas e sofás eram revestidos com metais preciosos.
A pressão populacional vinda de dentro, e a ameaça bárbara vinda de fora, levou à construção de muros mais para o interior, no sopé da península. Estas novas muralhas do início do século V, construídas no reinado de Teodósio II, são as que permanecem hoje.
No reinado de Justiniano I (527-565) Constantinopla medieval atingiu seu zênite. No início deste reinado, estima-se que a população tenha sido de cerca de 500.000. Em 532 uma grande parte da cidade foi queimada e muitos da população morta durante a repressão da Insurreição Nika, uma revolta das facções Hipódromas. A reconstrução da cidade devastada deu a Justiniano a oportunidade de participar de um programa de construção magnífica, da qual muitos edifícios ainda permanecem.
Em 542 a cidade foi atingida por uma praga que se diz ter matado três em cada cinco habitantes; o declínio de Constantinopla data desta catástrofe. Não só a capital, mas todo o império definhou, e a lenta recuperação não foi visível até o século IX. Durante este período a cidade foi frequentemente sitiada pelos Persas e Avaros (626), pelos Árabes (674 a 678 e novamente de 717 a 718), pelos Búlgaros (813 e 913), pelos Russos (860, 941 e 1043) e por um povo túrquico errante, os Pechenegs (1090-91). Todos foram mal sucedidos.
Em 1082 os venezianos foram alocados aposentos na própria cidade (havia um acantonamento anterior para comerciantes estrangeiros em Galata através do Golden Horn) com privilégios comerciais especiais. Mais tarde, juntaram-se a eles Pisans, Amalfitans, Genoveses, e outros. Esses grupos italianos logo obtiveram um estrangulamento sobre o comércio estrangeiro da cidade – um monopólio que foi finalmente quebrado por um massacre de italianos. Não por algum tempo os comerciantes italianos foram permitidos mais uma vez se estabelecer em Galata.
Em 1203 os exércitos da Quarta Cruzada, desviados de seu objetivo na Terra Santa, apareceram diante de Constantinopla -ostensivelmente para restaurar o imperador bizantino legítimo, Isaac II. Embora a cidade tenha caído, ela permaneceu sob seu próprio governo por um ano. Em 13 de abril de 1204, entretanto, os Cruzados invadiram a cidade para saqueá-la. Depois de um massacre geral, a pilhagem continuou por anos. Os cavaleiros Cruzados instalaram um deles, Balduíno da Flandres, como imperador, e os venezianos – os primeiros instigadores dos Cruzados – assumiram o controle da igreja. Enquanto os latinos dividiam o resto do reino entre si, os bizantinos entrincheiraram-se através do Bósforo em Nicéia (agora İznik) e no Épiro (agora noroeste da Grécia). O período de domínio latino (1204 a 1261) foi o mais desastroso da história de Constantinopla. Até mesmo as estátuas de bronze foram derretidas por moedas; tudo de valor foi tomado. Relíquias sagradas foram arrancadas dos santuários e enviadas para estabelecimentos religiosos na Europa ocidental.
Em 1261 Constantinopla foi retomada por Miguel VIII (Paleólogo), imperador grego de Nicéia. Durante os dois séculos seguintes, o império bizantino encolhido, ameaçado tanto pelo Ocidente como pelo poder crescente dos turcos otomanos na Ásia Menor, levou uma existência precária. Algumas construções foram realizadas no final do século XIII e início do século XIV, mas depois disso a cidade estava em decadência, cheia de ruínas e extensões de terreno deserto, contrastando com a próspera condição de Galata através do Corno de Ouro, que tinha sido concedido aos genoveses pelo governante bizantino Miguel VIII. Quando os turcos atravessaram para a Europa em meados do século XIV, o destino de Constantinopla foi selado. O fim inevitável foi retardado pela derrota dos turcos nas mãos de Timur (Tamerlane) em 1402; mas em 1422 o sultão otomano da Turquia, Murad II, sitiou Constantinopla. Esta tentativa falhou, para ser repetida 30 anos mais tarde. Em 1452 outro sultão otomano, Mehmed II, procedeu ao bloqueio do Bósforo pela ereção de uma forte fortaleza em seu ponto mais estreito; esta fortaleza, chamada Rumelihisarı, ainda forma um dos principais marcos dos estreitos. O cerco da cidade começou em abril de 1453. Os turcos tinham não só uma superioridade numérica avassaladora, mas também um canhão que rompia as antigas muralhas. O Corno de Ouro era protegido por uma corrente, mas o sultão conseguiu transportar sua frota por terra do Bósforo para o Corno de Ouro. O ataque final foi feito em 29 de maio e, apesar da desesperada resistência dos habitantes ajudados pelos genoveses, a cidade caiu. O último imperador bizantino, Constantino XI (Palaeologus), foi morto em batalha. Durante três dias a cidade foi abandonada para pilhar e massacrar, após o que a ordem foi restaurada pelo sultão.