המסגד נבנה בין השנים 1550–1558 על ידי האדריכל המוסלמי הנודע מימר סינאן, בהוראתו של הסולטאן סולימאן הראשון (המפואר). סגנון הבנייה של המסגד משלב בין מוטיבים של אדריכלות מוסלמית לזו של האדריכלות הביזנטית ודומה במידת מה למסגד איה סופיה, אשר נבנה על ידי הביזנטים בתור כנסייה, ובהמשך הפך למסגד בתקופת האימפריה העות'מאנית.

סגנונו של מסגד הסולימאנייה, המזכיר במידת מה גם את כיפת הסלע בהר הבית, מנציח את דימויו העצמי של הסולטאן סולימאן המפואר כיורשו של שלמה המלך, שעל שמו נקרא ("סולימאן" היא הגרסה הטורקית לשם שלמה). בהקשר זה, היסטוריונים רואים גם בדמיון בין מסגד הסולימאניה לאיה סופיה התרסה של סולימאן כלפי אמירתו המפורסמת של הקיסר הביזנטי יוסטיניאנוס הראשון לאחר השלמת הכנסייה בשנת 537 - "שלמה, התעליתי עליך!"

המסגד ניזוק בשריפה בשנת 1660 ושוקם בהוראתו של הסולטאן מהמט הרביעי. חלק מכיפת המסגד קרס פעם נוספת ברעידת אדמה שהתרחשה בשנת 1766, ושיקומה לאחר מכן כמעט העלים לחלוטין את הקישוטים המקוריים של סינאן.

במהלך מלחמת העולם הראשונה שימש חצר המסגד כמחסן נשק, מה שגרם לשריפה נוספת כשהתחמושת שבחצר עלתה באש.