Собор, построенный в 1568-1571 годах по повелению и под личным наблюдением Ивана Грозного, относится к наиболее монументальным и древнейшим памятникам Вологды.

Все говорит о том, что строитель Софийского собора был очень талантливым мастером.

С постройкой собора связано предание, рассказывающее о том, что, когда собор был почти готов и царь вздумал сам проверить качество строительства, что-то оборвалось в куполе и ударило царя по голове. Иван Грозный разгневался и уехал в Москву.  Так ли это было, или просто Вологда перестала быть нужной царю в его политических построениях, но окончательно собор был достроен и освящен только через 17 лет в царствование Федора Иоанновича.

В 1612 году при нападении на Вологду польско-литовских шаек город был охвачен огнем, обгорел и собор.

Стены, своды и столбы собора расписаны ярославским художником Дмитрием Плехановым «с 30-ю сотоварищами» в конце XVIIвека. Фреска «Страшный суд» была  самой большой на Руси. Фрески Софийского собора отреставрированы в 1960-х годах.

Службы в соборе прекратились в 1924 году. Собор был передан краеведческому музею, и в нем разместилась экспозиция по истории религии и атеизма, частью которой стал маятник Фуко, установленный в 1929 году.

В войну здесь был склад. Доступ в собор был открыт в 1960-е годы, после реставрации стенописи собора и его иконостаса.