Софийский собор наряду со Спасским собором Прилуцкого монастыря – древнейшее сохранившееся каменное сооружение на территории Вологды. Собор возведен в 1568-1570 годах по распоряжению царя Ивана Грозного. В храме практически полностью сохранились фрески XVII века и иконостас первой половины XVIII века. До 1776 года – года постройки теплого Воскресенского собора, – богослужения в Софийском соборе проводились круглый год. Храм служил усыпальницей вологодских архиереев.

Закладка Иваном Грозным Вологодского кремля подразумевала размещение на его территории нового кафедрального храма взамен деревянного собора Воскресения на Ленивой площадке.

Строительство каменного собора в центре кремля на берегу реки Вологды началось в 1568 году. В качестве архитектурного образца был выбран Успенский собор Московского Кремля. Именно его подобие Иван IV хотел иметь в своей северной опричной резиденции.По сообщению местного летописца, кладку собора нередко вели под наблюдением самого царя Ивана Грозного, и она отличалась особой тщательностью. В 1571 году царь был вынужден покинуть город и строительство приостановилось.

Собор оставался неоконченным до 1587 года, когда при царе Федоре Иоанновиче – сыне Ивана IV – приступили к его достройке. Однако, отделка была выполнена не полностью: окончен лишь южный придел, средняя же часть храма достраивалась позднее.

В 1588 году преосвященным Антонием, епископом Вологодским и Великопермским был освящен престол придельного храма во имя усекновения главы Иоанна Предтечи в память о строителе собора Иоанне IV Грозном, крещеном в день памяти этого святого, а главный престол собора был освящен в 1612 году в честь Софии Премудрости Божией.

После освящения главного престола в конце XVI века вологодский Архиерейский дом по аналогии с новгородским стал именоваться «Домом святой Софеи». Икона Софии Премудрости Слова Божия стала епархиальным символом.

Софийский собор за свою более чем четырехвековую историю подвергался многочисленным переделкам.После пожара 1612 года собор восстанавливали и украшали в течение всего XVII столетия.

В 1848-1851 годах проводился капитальный ремонт Софийского собора, в ходе которого ко всем входам в храм были простроены каменные притворы, расширены оконные проемы, крыша покрашена в зеленый цвет. В 1860-х годах вокруг Софийского собора поставлена каменная ограда.

В начале ХХ века священником вологодской Софии служил отец писателя Варлама Шаламова – отец Тихон (Шаламов).

В июне 2007 года в Софийском соборе Патриарх Московский и Всея Руси Алексий II совершил божественную литургию.

Софийский собор находится в ведении Вологодского музея-заповедника и открыт для посещения в летнее время. В некоторые церковные праздники в весенние и летние месяцы в соборе проводятся службы.