Первые исследователи памятников Константинополя ошибочно отождествляли с дворцом во Влахернах находящийся южнее Текфур-сарай. Церковь Богородицы была построена в 450–453 гг. императрицей Пульхерией, расширялась при императоре Льве I (457–474 гг.); при императоре Юстине (518–527 гг.) кесарь Юстиниан изменил её интерьер, построив полукруглые колоннады. Церковь неоднократно ремонтировалась, сгорела вместе с дворцом в 1069 г., но вскоре была восстановлена. Тем не менее, на протяжении всей истории храм в основном сохранял первоначальный вид. Судя по его наиболее полному описанию в «Дневнике путешествия в Самарканд» испанского дипломата и путешественника Руя Гонсалеса де Клавихо (ум. в 1412 г.), он представлял собой 3-нефную базилику, скорее всего, без купола, богато украшенную мрамором изнутри и снаружи. До эпохи иконоборчества в церкви были фрески или мозаики, но при императоре Константине V Копрониме (741–775 гг.) изображения Христа, Пресвятой Богородицы и сцен их земной жизни были заменены росписями с растительными и архитектурными мотивами, и первоначальная сюжетная программа больше не восстанавливалась. Храм был соединён с дворцом переходным портиком. В комплекс церкви Богородицы входили храм-реликварий Агия-Сорос (Святая рака) и бассейн для омовения (священная купель), как полагают исследователи, находившийся внутри перистильного двора. Кроме того, в V в. были построены термы, которые перестраивались в начале XI в. при императоре Василии II Болгаробойце (976–1025 гг.). Значение этого храма во Влахернах к концу VI в. соответствовало количеству клира: здесь служили 74 человек (в том числе 12 пресвитеров и 18 диаконов); он стал средоточием православного богослужения, и прежде всего, еженедельных пятничных литаний. После событий 626 г. храм стал одним из центров почитания Пресвятой Богородицы как покровительницы столицы и всей империи. В 630 г., после завершения византийско-персидской войны, во Влахернской церкви была оставлена на хранение частица Животворящего Древа Креста Господня, который был возвращён императором Ираклием из Персии в Иерусалим (исследователи полагают, что в X в. святыня была перенесена в церковь Богородицы Фара). В дальнейшем святыни из Влахерн приобретали для Константинополя особое значение всякий раз, когда столице угрожала опасность. В 717 г., во время осады Константинополя арабами, совершались молебны Богородице Влахернской о защите города. В 821 (или в 822) г., когда войско Фомы Славянина (предводителя антиправительственного восстания в Анатолии) подходило к Константинополю, император Михаил II и его сын Феофил взяли ризу Богородицы и частицу Животворящего Древа Креста Господня и торжественно обнесли их вокруг стен столицы. В 860 г., во время нападения на Константинополь флота русов, патриарх Фотий I Великий (858–867, 867–877 гг.) погружал мафорий Пресвятой Богородицы в море, чтобы избавить город от опасности. 9 сентября 923 г., во время стояния под Константинополем войска царя Симеона Болгарского, во Влахернском храме состоялась встреча Симеона и императора Романа I Лакапина (920–944 гг.), на которой было заключено перемирие между Болгарией и Византией. Парадные шествия и военные торжества (триумфы), как правило, проходили рядом с храмом, возле него останавливались процессии, в храме устраивались благодарственные молебны. 16 августа 944 г. из Эдессы в Константинополь были привезены и выставлены в храме Нерукотворный образ Спасителя (Мандилион) и письмо Христа к царю Эдессы Авгарю (позднее перенесены в собор Святой Софии и затем в церковь Богородицы Фара). В 1030/1031 г. при ремонте церкви в её стене была обнаружена икона с изображением Богородицы и Младенца Христа (так называемая Влахернская икона Божией Матери). Храм также известен как место убежища от репрессий властей при различных беспорядках и в периоды острой политической борьбы. В 711 г. в нём пытался укрыться сын императора Юстиниана II Ринотмета (685–711 гг.) Тиверий со своей бабкой, но по приказу императора Филиппика-Вардана (711–713 гг.) его силой вывели из храма и казнили. Императрица Феофано, низложенная Львом VI Философом (886–912 гг.), пребывала здесь с 892 г. до своей смерти в ноябре 893 г. В 1040 г. в храме состоялась церемония усыновления императрицей Зоей будущего императора Михаила V Калафата (1041–1042 гг.). Здесь отрёкся от престола император Михаил VII Дука (1071–1078 гг.). В 1081 г. в храме скрывались знатные дамы из семейства Комнинов, поднявших мятеж против императора Никифора III Вофаниата (1078–1081 гг.). Около 1285 г. здесь проходил Собор, на котором Византия отказалась от Лионской унии 1274 г., был осуждён низложенный патриарх Иоанн XI Векк (1275–1282 гг.). 13 мая 1347 г. во Влахернском храме состоялись коронация Иоанна VI Кантакузина (1347–1354 гг.) и его жены и венчание императора Иоанна V Палеолога (1341–1391 гг.) с Еленой, дочерью Кантакузина. Весной 1354 г. был коронован император Матфей Кантакузин (1353–1357 гг.). В 1204 г., после захвата Константинополя крестоносцами, в церкви разместилась община каноников, которая вскоре (наряду с несколькими другими вновь образованными католическими монастырями Константинополя) отказалась участвовать в выборах латинского патриарха и не признавала его до 1217 г.