През пролетта на 809 г. българският владетел Крум превзема Сердика на връщане от военен поход в долината на Струма. Това събитие се случи в навечерието на Великден, отбелязвайки важен момент в историята на града. Според византийския историк Теофан Изповедник силите на Крум са убили 6000 войници и много цивилни, въпреки че това описание повдига въпроси относно размера, въоръжението и стратегическия подход на армията на Крум и остава непроверено.
Въпреки драматичното превземане, превземането на Средец (по това време е известно името Сердика) не води до значителни разрушения или до съществени промени в града. В периода след превземането се увеличават керамичните находки около крепостните стени, които някои изследователи приписват на славяните от Балканския полуостров. Липсва обаче подробно изследване на тракийските и българските характеристики на тези находки.
До края на 9-ти или началото на 10-ти век настъпват значителни архитектурни развития, включително пълната реконструкция на църквата „Св. Георги“. Освен това градът получава виден гост – цар Петър I, по чието повеление веднага след смъртта си през 946 г. в Средец е погребан почитаният отшелник Свети Иван Рилски, известен още като Рилски Чудотворец и смятан за български небесен покровител. Това погребение подчертава значението на града като духовен и културен център през този период.
До края на 10-ти век Средец се превръща в значителна крепост в териториите, контролирани от Комитопулите, по-специално при Арон. След превземането на българската столица Преслав патриарх Дамян намира временно убежище сред стените ѝ. Забележителен момент в историята на града настъпва през лятото на 986 г., когато император Василий II обсажда Средец за 20 дни. Въпреки това Василий II претърпява тежко поражение при Траяновата врата по време на завръщането си в Тракия, отбелязвайки значителна неуспех за византийските сили.
Евентуалното подчиняване на Средец под византийска власт става едва през 1018 г., след смъртта на Иван Владислав, последният цар на Първото българско царство. Тогава началниците (войводите) на 35 крепости, включително Средец, доброволно признават суверенитета на римския (византийски) император. Този момент бележи основен преход в статута на града, отразявайки променящите се политически пейзажи на региона и края на една епоха в българската история, тъй като той става част от Византийската империя.
През 1040 г. Средец за момент се изплъзва от византийския контрол, попадайки в ръцете на въстаниците, водени от Петър Делян. Това въстание кара император Михаил IV лично да се намеси и да потуши въстанието. Впоследствие, в стремежа си да стабилизират региона, византийските власти преселват значителен брой печенеги в Софийското поле след 1048 г., като част от тях вероятно се установяват в самия град.
През 1059 г. император Исак I Комнин повежда значителна сила към Средец, за да се изправи срещу настъпващите унгарци. Потенциалният конфликт обаче беше предотвратен чрез преговори, избягвайки значителна военна конфронтация. В края на 1060-те години, по-точно около 1066 или 1067 г., бъдещият император Роман IV Диоген е назначен за управител на Средец, което подчертава стратегическото значение на града във Византийската империя.
Годината 1183 бележи мрачен период за Средец, тъй като е превзет и опустошен от силите на сръбския велик княз Стефан Неманя и унгарския крал Бела III. Тази опустошителна атака подчерта уязвимостта на града към регионалните борби за власт. През 1189 г. Средец се оказва неволно домакин на северния контингент от Третия кръстоносен поход, воден от император Фридрих I Барбароса. Кръстоносците, след като влязоха в град, изоставен и лишен от ресурси – „без пазар, храна и вино“ – бяха изправени пред сериозни трудности. Тази неочаквана ситуация ги принуждава да продължат тежкото си пътуване през Пловдив към Одрин и накрая към Константинопол, значително уморени и разочаровани от преживяното.
През 1194 г. Средец става постоянна част от Второто българско царство при Иван Асен I, което поставя началото на нова ера в историята на града.
По време на периода на разцвет от 13-ти до 17-ти век Средец има важно стратегическо значение в рамките на Второто българско царство, главно за контрола над областите Померания и Македония. След анексирането му незабавно са започнати усилия за ремонт на крепостните стени и отстраняване на значителните щети във вътрешността на града. През този период се наблюдава забележимо увеличаване на гъстотата на градското строителство, с много улици, стесняващи се в тесни пасажи и появата на двуетажни сгради, което отразява процъфтяващия растеж и градското развитие.
Няколко управители на Средец в средата на 13 век са удостоени с титлата севастократор, второ място след царя. Известни фигури, носещи тази титла, са севастократор Александър, братът на цар Иван Асен II, синът му Калоян и зетят на Александър Петър. След смъртта на Иван Асен II Петър поема управлението на западните територии на България. Този период подчертава развиващия се градски пейзаж на Средец и неговата централна роля в политическите и стратегически машинации на Второто българско царство.
По време на управлението на севастократор Калоян се смята, че древните останки от Константиновия квартал са претърпели реконструкция, превръщайки се в резиденция на управителя на града. Този период отразява значителни архитектурни и културни промени в Средец, показващи значението на града като център на власт и администрация.
Севастоптор Калоян е основател на Боянската църква, емблематично произведение на българското средновековно изкуство. Тази църква е особено забележителна с това, че съхранява портрет на Калоян в цял ръст, датиран от 1259 г., което я прави безценен артефакт за разбирането на българското средновековно общество и култура.
XIV век в Средец е белязан от оживена културна и стопанска дейност. Край митрополитската катедрала „Света София” е действала книжовна школа, която има значителен принос в средновековната българска книжовна традиция. От дейността на това училище е запазено Средецкото евангелие, свидетелство за научния и религиозен живот на града. Освен това в околностите на града се образува комплекс от манастири, по-късно известен като гората Света София, което показва разрастването на монашеския живот и религиозното образование.
През това време Средец се очертава и като център за международна търговия и занаятчийство. Търговци от Дубровник имали офиси в града, улеснявайки търговията и културния обмен. Производството на многоцветна луксозна сграфито керамика, бижута и железни изделия в София допълнително подчертава икономическата жизненост на града и художествената креативност, рисувайки картина на оживен, културно богат и икономически оживен средновековен град.
През 1382 г. османският генерал Лала Шахин паша обсажда София в продължение на три месеца. Неговите доклади до османското правителство възхваляват града за неговите благоприятни природни условия, неговото богатство и оживен икономически живот, както и политическото му значение. Скоро след тези донесения София попада в ръцете на неговия подчинен Индже Балабан бей. Това бележи началото на нова глава в историята на София, тъй като тя става център на Софийския паша санджак, роля, която поддържа от 1393 г. до 1878 г.
По време на амбициозната кампания, водена от Янош Хуняди през есента на 1443 г., османците вземат стратегическо решение да изоставят София. В опит да осуетят настъпващите унгарски сили, те евакуираха населението и опожариха града, надявайки се да лишат врага от доставки и подслон. Въпреки тези усилия унгарците бяха посрещнати топло от останалите християни в София, които отслужиха тържествена служба в катедралата Света София, за да посрещнат своите освободители. Този момент на отдих обаче беше кратък; след седмици унгарците се оттеглят в Пирот и като отмъщение за подкрепата им за силите на Хуняди, християните в София и околностите претърпяват брутално клане от османците. Това трагично събитие подчертава бурния и често брутален характер на историята на София по време на периоди на военни конфликти и окупация.
В средата на 15 век, въпреки османското завоевание, София запазва предимно българския си характер, както отбелязват европейските пътешественици от онова време. Това свидетелство за издръжливостта на града подчертава способността му да запази своята културна идентичност сред значителни политически и социални промени.
Средата на 15-ти век носи значими религиозни събития в София, засилвайки статута й на духовен център. От 1460 г. градът става пазител на мощите на Свети крал Стефан II Милутин, значима фигура в православното християнство. Допълнително обогатявайки религиозното си наследство, през 1469 г. София е ключова точка при пренасянето на мощите на Свети Иван Рилски от Търново до Рилския манастир. Това събитие беше от огромно значение за православната общност, отбелязвайки момент на единство и духовно обновление.
През този период София, заедно с околните манастири от Софийската Света гора, се превръща в център за религиозно и културно образование, известен с развитието на Софийската книжовна школа. Това училище допринася за съхраняването и създаването на религиозни и литературни текстове, играещи решаваща роля в културния и духовен живот на региона. Чрез тези развития София продължава да утвърждава своето значение не само като политически и икономически център под османско владичество, но и като фар на православното християнство и българското наследство.
След интегрирането на София в Османската империя, съществуващата колония от дубровнишки търговци преживява значителен растеж, допълнително обогатена от пристигането на италиански търговци от Флоренция и Венеция. Заедно тези общности създадоха католически квартал в близост до разрушената западна порта на града, допринасяйки за космополитната тъкан на София.
Демографският и икономическият пейзаж на града включва и арменци, които се занимават предимно със златарство и кожухарство, живеещи в централните части на града. Междувременно североизточните области стават дом на еврейски общности, които насърчават широки търговски мрежи с Холандия и Франция, засилвайки позицията на София като търговски център.
Тази епоха бележи София като забележителен център за производство и износ на луксозни стоки за Италия, включително вълнени платове, известни като чоча и специално обработена кожа, наричана в Италия „булгарини“. Освен това градът внася стъклария, лекарства и фаянс от Италия, отразявайки оживен обмен на стоки и културни влияния.
През този период София понякога е била временно седалище на румелийското бейлербейство. Бейлербейът е бил високопоставен служител в Османската империя, със значително влияние, а понякога самият велик везир е заемал тази позиция. Тази роля подчертава стратегическото значение на София в рамките на османската административна и политическа йерархия, подчертавайки нейното значение отвъд обикновената столица на провинция.
Началото на 16 век бележи значителна промяна в културния и етнически състав на София. Рязък контраст с предишния век, до 30-те години на миналия век пътниците съобщават за мюсюлманско мнозинство в града, а до средата на 17-ти век описанията сочат към изцяло турско население. Тази промяна отразява по-широките социално-политически трансформации под османското владичество, които включват преобразуване на религиозни структури и значителна демографска промяна към преобладаващо мюсюлманско население.
Две от големите старинни църкви на София са преустроени в джамии в началото на 1500 г.: църквата „Света София“ става джамия Сиявуш паша, а църквата „Свети Георги“ е трансформирана в Гюл джамия. Археологическите доказателства сочат, че значителна част от жителите на центъра на града са били мюсюлмани по това време, което показва широко разпространената природа на ислямизацията в града.
Процесът на ислямизация в София и в Османската империя като цяло не е широко документиран, особено по отношение на използваните методи. През този период обаче няколко християни, които отказаха да приемат исляма, бяха признати за мъченици, подчертавайки съпротивата срещу религиозното обръщане. Тези личности включват Георги от София Нови и Софроний от София, и двамата през 1515 г., друг Георги от София Нови през 1530 г., Николай от София Нови през 1555 г. и Терапонтий от София също през 1555 г. Тяхното мъченичество подчертава сложното взаимодействие на вяра, идентичност и съпротива в променящия се религиозен пейзаж на София през османската епоха.
През 1530 г. София е определена за постоянна столица на Румелийския еялет, статут, който има до 1836 г. Първоначално наричан Бейлербейство до 1590 г., Румелийският еялет обхваща значителна част от Балканския полуостров, простиращ се от Източна Тракия през Померания до Епир. Тази епоха бележи забележителен период на икономически растеж и културно развитие за София, характеризиращ се с възраждане на различни занаяти и сечене на монети – практика, невиждана от Античността. Златото и среброто, необходими за сеченето на монети, идват предимно от мините около Чипровци, което подчертава минералното богатство на региона.
От средата на 15-ти век, особено до 16-ти век, София е свидетел на изграждането на впечатляващи обществени сгради и религиозни сгради, допринасящи за архитектурния и културен пейзаж на града. Забележителна сред тях е джамията Буюк, построена между 1451 и 1494 г., и джамията Челеби, издигната през 1502 г. в непосредствена близост до Конака. Освен това джамията Коджа Дервиш Мехмед паша, датираща от 1528 г. и сега служеща като църква, и джамията Баня Баши, завършена през 1567 г. от известния османски архитект Мимар Синан, са значими със своята архитектурна и историческа стойност.
Въпреки че записите сочат съществуването на десет джамии в София поименно, съвременни автори от този период предполагат, че действителният брой може да е около 150. Тази цифра отразява широкото ислямско архитектурно и културно влияние в София през османския период, подчертавайки значението на града като център на търговията, управлението и религиозния живот на Балканите.
