Материалните свидетелства за периода на средновековието от територията на София са сравнително оскъдни, ако се съди по резултатите от проведените през последните години археологически проучвания. За развитието и историята на града през този период обаче има достатъчно данни от писмените извори.
Българският хан Крум завладява Сердика през 809 г., но окончателното му присъединяване към Първото българско царство е от времето на хан Омуртаг (814–831). Населението става преобладаващо славянско. По това време възниква и новото име на града – Средец. В периода XI–XII в. Средец е под византийско владичество, но не губи своето значение. По време на Второто българско царство (края на XII–XIV в.), градът процъфтява икономически и културно. Тогава в околностите му са основани множество манастирски комплекси, които днес наричаме с общото название Софийската (Мала) Света гора. През последните десетилетия на ХІV в., видно от Витошката грамота на цар Иван Шишман (1371–1395), градът започва да се нарича София, по името на базиликата, която се издига край него, а през ХV в. новото име се налага окончателно.
През 1382 г., след тримесечна обсада, София пада под османска власт и е включена в административната система на Османската империя. Градът е приспособен към нуждите на новата държавна и религиозна власт. В този период базиликата „Св. София“ е преустроена в джамия под името „Сияуш паша“. Следите от тогавашния активен живот се разкриват при по-голямата част от археологическите разкопки в централните части на града, непосредствено под съвременните пластове.