В 1568 году в кремле, со стороны реки Вологды, Иван Грозный начал строить кафедральный собор во имя Софии Премудрости. 
При постройке храмов алтари обращаются на восход солнца или имеют незначительные отклонения от востока к северу или югу. Собор Софии алтарем обращен на северо-восток. Однако с давних времен алтарная сторона собора считается восточной. 
Строительные материалы для постройки собора брали из каменных припасов, ранее заготовленных для строительства кремля. При возведении Софии заботились о ее прочности и крепости. То, что успевали сделать за день, на ночь от холода и дождя прикрывали «лубием и другими орудии, и того ради она церковь крепка на разселены». 
В 1571 году постройка собора была закончена, оставалась лишь внутренняя отделка. Но строительные работы в этом же году были внезапно прекращены. При жизни Ивана IV собор так и не был открыт для богослужения. Вот как повествуется об этом в летописи Слободского: «Глаголют: едва совершена была оная церковь и великий государь вшед видети пространство ея и будто нечто отторгнувся от свода и пад, государю повреди главу, и того ради вел. государь опечалился, и повеле церковь разорити, но через не некоторое прошение преслонился на милость; обаче многие годы церковь была не священа». 
Прошло 17 лет, и лишь в царствование Федора Иоанновича были выполнены работы по внутреннему устройству Предтеченского придела. 1 октября 1587 года этот придел был освящен. А в сентябре 1612 года был разграблен отрядом поляков и литовцев. Кроме того, он пострадал от пожара: сгорели крыша и главы с крестами. 
После ухода польских и литовских интервентов начались доделки и исправления собора. Был восстановлен иконостас. Принадлежности богослужения - сосуды, ризы и другая церковная утварь были временно взяты из Спасокаменного и Глушитского монастырей. В декабре 1612 года был освящен главный престол, а в июне 1613 года и Предтеченский. 
В 1613 году был предписан особый обор с епархиальных церквей «в церковное строение Софии Премудрости». 
В 1615-1616 годах на собранные деньги мастера Калачниковы Иван, Осип и Леонтий устроили на соборе новую драночную крышу по просмоленной бересте с устройством просмоленных желобов. Кресты на главах обили белым железом и укрепили железными цепями. В большие кресты были вделаны медные. 
В 1621-1622 годах в соборе поставили новый главный иконостас, деревянные главы на соборе покрыли железом. В 1639 году Михаил Федорович пожертвовал в собор Софии медное паникадило весом 28 пудов 30 фунтов. Через несколько лет для собора были куплены в Архангельске еще три паникадила заграничной работы. 
Собор неоднократно ремонтировался и подновлялся. Богослужение в Софии до постройки в 1776 году теплого собора Воскресения проходило круглый год. 
После разборки стен кремля соборы с колокольней раскрылись со стороны реки и стали играть значительную роль в архитектурном облике города. 
Собор Софии в Вологде построен зодчими Ивана IV. Прототипом его явился пятиглавый Успенский собор в Московском кремле. Но вологодский собор имеет свою, отличную от Успенского собора монументальную архитектуру. Храм кубической формы, удлиненный. Его стены лишены декора, который в виде аркатуры и других архитектурных элементов украшает Успенский собор. Гладкие белые стены Вологодской Софии, северная и южная, членятся пятью, а западная - четырьмя узкими пилястрами. Пилястры оканчиваются вверху небольшими карнизами, которые поддерживают полукруглые закомары. К восточной стене пристроены три апсиды с четырьмя полуколоннами в местах примыкания их к стене и между полукружиями. Над крышей алтарных полукружий возвышаются три закомары. 
Собор увенчан пятью главами, расположенными на круглых барабанах; средний барабан большого диаметра и высоты. Пятиглавие смещено на восток. У основания глав барабаны имеют карниз. Каждая глава несет прорезной железный крест. Высота от фундамента до верха креста средней главы 59,6 метра. Крестовые своды поддерживаются шестью четырехугольными столбами. 
Алтарная часть с двумя восточными главами отдалена от храма каменной стеной. София имеет три входа: с западной, северной и южной стороны. 
Собор освещается двойным светом через узкие, удлиненные окна. Алтарная часть освещается семью окнами в один свет, расположены они на одном уровне с окнами нижнего света собора, при окна на среднем полукружии алтаря и по два - на крайних. Барабаны глав имеют щелеобразные окна. Покрытие собора поза-комарное, металлическое, на полукружиях - на один скат. 
В 1686-1688 годах - при архиепископе Гаврииле ярославские иконописцы Дмитрий Григорьевич Плеханов с тридцатью «товарищами» расписали внутренние стены и своды собора. 
Роспись проводилась по левкасу. В очищенные от краски и извести стены вбивались кованые железные гвозди с широкой шляпкой. Под гвозди, не добитые на полдюйма, наносился «левкас», густой известковый раствор, смешанный с мелко избитым льном. По подготовленной таким образом сырой штукатурке производилась роспись земляными красками на известковом закрепителе. 
Роспись была начата 20 июля 1686 года и окончена в конце июня 1688 года, о чем свидетельствует надпись, писанная крупной вязью на трех внутренних стенах собора. 
Через 160 лет, в 1848-1850 годах, настенная живопись Софии была обновлена ярославским иконописцем Колчиным. Причем несколько фресок сохранилось в их первоначальном виде, в том числе «Пир у Ирода», одна из лучших фресок Вологодской Софии, 
В 1686-1695 годах собор был украшен резными позолоченными царскими вратами и резным позолоченным пятиярусным иконостасом, сделанным по образцу иконостаса Троице-Сергиевой Лавры. 
Для нового иконостаса были написаны новые иконы. Писали их вологодские иконописцы Ермолай и Яков Сергеевы, Григорий Агиев, Федор Григорьев, Семен Карпов, Петр Савельев, Тимофей Петров и Константин Грешново. В 1686 году искусные резчики и мастера из Троице-Сергиевой Лавры Влас Федоров и Артемий Алексеев приступили к работе сначала по устройству царских врат, а затем к устройству самого иконостаса. Работу свою они закончили через девять лет. 
В 1724 году внутри собора произошел пожар, он повредил иконостас и иконы. Между 1737-1744 годами в Софии был устроен и установлен новый пятиярусный иконостас, возвышающийся до самых сводов, а ярусы увенчаны позолоченным карнизом. Иконы, за исключением местных образов, были написаны снова. По левую сторону царских врат теперь находился храмовый местный образ Софии Премудрости, список с Софии Новгородской. По правую сторону царских врат - храмовой местный образ Успения. 
Этот иконостас сохранился до наших дней. 
В 1765 году пол в соборе был выстлан чугунными плитами, отлитыми на Терминском железном заводе. Внутри собора, у южного входа, сохранилась плита с надписью об устройстве чугунного пола. В 1929 году чугунный пол был снят, а несколько позже настлан деревянный. 
Внутри храма, подле северной .и южной стен, в каменных склепах погребены двенадцать вологодских архиереев, четыре архиепископа и восемь епископов. 
В 1966-1968 годах Всесоюзные научно-реставрационные мастерские (ВСНРМ) под руководством архитектора В. С. Баниге провели на соборе реставрационные работы. Вместо железной четырехскатной крыши устроено позакомарное покрытие из оцинкованной стали. Поставлены новые купола, покрытые оцинкованной сталью. Восстановлены узкие окна в соборе (они были расширены в 1686 году). Разобраны устроенные в 1850 году каменные лритворы у входов в собор, восстановлены порталы входов, сделан ремонт наружной штукатурки, побелены стены собора. Внутри храма под руководством художника-реставратора Н. В. Перцева уже несколько лет ведется закрепление старинной фресковой живописи. 
Четыреста лет стоит замечательный памятник архитектуры и живописи - величественный собор Софии Вологодской. Сохранился и литературный памятник, народное сказание о том, как храм начинал строиться.