Caminin güneydoğu cephesinden çizimi, 1877, A.G. Paspates'in Bizans topografik çalışmaları
İstanbul'un üçüncü tepesi sırtlarında yer alan binanın ilk hali hakkında kesin bir bilgi yoktur. Kilisenin, duvarcılık işine göre 11. yüzyıl sonu, 12. yüzyıl başlarında I. Aleksios Komnenos döneminde yapıldığı anlaşılmaktadır. Aziz Theodoros'a adanmış olup olmadığı da kesin değildir. Yapı Dördüncü Haçlı Seferi'nden sonra Konstantinopolis'in Latin kontrolünde olduğu dönemde Roma Katolik kilisesi olarak kullanıldı. Osmanlı Devleti'nin İstanbul'u fethinden kısa bir süre sonra kilise, Fatih Sultan Mehmed'in hocası alim Molla Gürani tarafından cami haline getirildi. Molla Gürani kısa süre sonra İstanbul'un ilk müftüsü olacaktı. Cami daha sonra onun adıyla isimlendirildi. 1883 yılındaki bir yangında ağaç kısımları yandı ve cami tahrip oldu. Binanın kuzey ve güney cephelerindeki yan dehlizler 1833 yangınında yok olmuştur. Yapı 1937 yılında kısmi bir restorasyon gördü. Mozaikleri yeniden keşfedildi ve temizlendi.