Старый городской деревянный собор Воскресения, расположенный на «Ленивой площадке» – прежней главной площади Вологды, не мог, конечно, играть роль главного культового здания создаваемого царем монументального ансамбля. Поэтому в 1568-1570 гг. на территории самого кремля возвели новый собор – св. Софии. По сообщению местного летописца, кладку его нередко вели под наблюдением государя и отличалась она особой тщательностью: «А колико сделают, и того каждого дни покрывали лубьем и другими орудии, и того ради оная церковь крепка на разселины». Однако собор был освящен только в 1588 г., уже после смерти Ивана IV. Устные предания столь долгое «стояние храма без пения» объясняют все тем же происшествием, случившимся с Грозным в соборе, которое известно нам по народной песне. 
Торжественный, величественный Софийский собор высится в центре Вологды и до сих пор играет важную роль в общем ансамбле города (илл. 5). Огромное, не сколько вытянутое по продольной оси здание с тремя высокими полукруглыми апсидами и шестью столбами внутри увенчано могучим пятиглавием. Подобный тип храма характерен для русского зодчества XVI столетия и является одним из распространенных среди городских и монастырских соборов. Восходит он к единому источнику – к Успенскому собору (1475-1479) Московского Кремля. Иван Грозный, очевидно, хотел иметь в своей северной опричной резиденции подобие прославленной святыни столицы. Об этом говорят не только сами архитектурные формы собора, но и слова народной песни об «образце», а также его первоначальное наименование (сначала его называли Успенским). В более позднем освящении здания во имя Софии отразилось стремление вологодского духовенства утвердить свою самостоятельность по отношению к Новгороду. 
Для строительной практики Древней Руси вообще характерна ориентация на те или иные более ранние постройки, избранные в качестве «образцовых». Однако «образец» трактовался широко и свободно, никогда в точности не воспроизводя «оригинал». Сооружаемые здания всегда обладали собственной выразительностью и своеобразием. Собор в Вологде также отличается от аналогичного типа храмов, в том числе и от прототипа, особой простотой, лаконичностью архитектуры, придающими какую-то специфически северную суровость его внешнему облику. 
Значительный по своим размерам, он выглядит единым массивным блоком. Его гладкие белые стены лишены декора, а архитектурные членения фасадов скупы и немногословны. Мощные плоские лопатки-пилястры делят стены на широкие прясла, завершенные красивыми полуциркульными закомарами простого профиля. Узкие арочные оконные проемы с сильными откосами, расположенные в два яруса, прорезают гладь стены, выявляя ее толщину и массивность кладки. Верхние окна, соответственно «образцу», подняты очень высоко и находятся целиком в плоскости закомар. Между сильно вынесенными апсидами поставлены рельефные полуколонки. 
Торжественную монументальность облика Софийского собора еще более усиливают пять огромных барабанов с крупными главами. Луковицы глав не изначальны; они появились в результате неоднократных обновлений храма в XVII–XVIII вв., а завершающие их эффектные кресты выполнены московскими мастерами в 1687 г. Концу XVII в. принадлежит также сооруженное у западного входа крытое крыльцо, скрывающее первоначальный перспективный портал собора строгой формы. 
Интерьер Софийского собора привлекает своей величавостью. Огромное внутреннее пространство разделено на три нефа шестью могучими квадратными столбами. 


Они поддерживают высокие крестовые своды, форма которых также навеяна архитектурой московского Успенского собора. Два восточных столба, соединенные между собой и с боковыми стенами невысокой кирпичной алтарной преградой, скрыты громадным иконостасом. Однако внутри здания нет и следа от суровости, присущей внешнему облику собора. Яркая красочная живопись конца XVII в., пронизанная радостным, жизнеутверждающим мировосприятием, покрывает стены, своды и столбы, придавая интерьеру храма праздничный, нарядный вид. 
Архиепископ Гавриил привлек для росписи собора наиболее прославленных мастеров, каковыми в то время являлись стенописцы Ярославля. Его выбор пал на Дмитрия Григорьева Плеханова, одного из ярких представителей мастеров стенной живописи второй половины XVII в., который принимал участие в работах по украшению церквей Троицы в Никитниках (1652-1653) и Григория Неокесарийского (1668) в Москве, а также возглавлял дружину стенописцев, расписавшую Успенский собор Троице-Сергиевой лавры (1684). 


Согласно записи в книгах Архиерейского дома, «1686 г. марта 23 подрядился на Вологде Соборную церковь и с алтарем и с пределы подписать стенным письмом ярославец иконописец Дмитрей Григорьев сын Плеханов». Несколько месяцев мастера левкасили и подготовляли стены для росписи; в августе Плеханов вместе «с 30 товарищи» приступил к работе. В артели Плеханова, как выяснил вологодский реставратор А. А. Рыбаков, были художники Ермолай Федоров, Кондрат Игнатьев, Иван Семенов, Федор Иванов, Семен Сергеев, Родион Карпов и другие. Их имена читаются в круглом, плохо сохранившемся клейме на южной стене собора. Огромная, писанная вязью по трем стенам храма надпись-летопись сообщает, что «начата сия святая соборная и апостолская церковь Софии Премудрости слова божия стенным писанием... в лето от создания мира 7194 [1686] месяца иулия в 20 день... и во второе лето... свершися 7196 [16881». 
Самую ответственную часть фресок «знаменил» сам руководитель живописной дружины, мастер «первой руки», Дмитрий Плеханов. Он не только определял композиции, но и их колорит: на левкасе встречаются буквенные обозначения колеров для мастеров («п» – празелень, «в» – вохра и др.). 
Фрески Софийского собора исполнены в традиционной манере ярославской стенописи второй половины XVII в. с характерным для нее размещением композиций. В центральном куполе изображен Пантократор, в боковых – Иоанн Предтеча, Богоматерь Знамение, Отечество и Спас Эммануил, в барабанах – праотцы. Западную стену занимает «Страшный суд». На сводах, а также на северной и южной стенах, разбитых на шесть ярусов, помещены сцены, иллюстрирующие различные евангельские сюжеты, а также семь Вселенских соборов. На столбах, расписанных в четыре яруса, представлены святые, мученики, воины и князья, среди которых Александр Невский, Борис и Глеб, Михаил Тверской и другие. Роспись в алтаре разделена на четыре пояса. В верхнем изображен «Спаситель с предстоящими и Божья матерь»; во втором, самом большом по размеру, – «София Премудрость божия» и сидящий на престоле «Спас», а также композиция «Похвала богоматери» с двенадцатью пророками; в третьем, наиболее узком, – ангелы и херувимы; в нижнем – Евхаристия, т. е. Спаситель с подходящими к нему апостолами и шестнадцать святителей в рост. Роспись дьяконника, где был придел Иоанна Предтечи, посвящена его житию. Из представленных здесь сцен наиболее интересны «Пир Ирода», «Усекновение главы», «Обретение главы» и «Погребение». Фрески жертвенника иллюстрируют тему «страстей» Христа. 
Росписи храма воспринимаются как единый живописный комплекс, тесно связанный с архитектурой, и согласуются ритмом своего «движения» с ее «развитием». Сливаясь воедино, многочисленные изображения образуют фризообразные ленты-пояса, словно застилая стены храма сплошным многоцветным ковром. Эта живопись лишена былой монументальности. Но, положив в основу росписи принцип декоративности, Плеханов сумел добиться необычайной ее выразительности. Декоративная условность сюжетных композиций создает впечатление орнаментальности, а их колористическое богатство, основанное на гармоническом соотношении чистых, почти локальных цветов с преобладанием голубых, синих, коричневато-красных и зеленоватых тонов, придает интерьеру собора торжественно-жизнерадостное звучание. 
На сюжет каждой притчи мастер пишет отдельную композицию, а последовательный их ряд составляет пояс росписи. Все пояса ритмически объединены и создают впечатление яркого фрескового коврового наряда, стилистически единого и органически сливающегося с архитектурой здания. 
Расположение фресок сплошными горизонтальными рядами, развившееся из стремления к наглядности самого рассказа, в связи с перестановкой акцента с внутреннего состояния человека на внешнее, получает в Софийском соборе почти классическое завершение. На стенах храма разворачиваются целые эпопеи из церковной и светской истории, в которых участвуют и деятели церкви, и воины, и нарядно одетые горожане и горожанки. В рамках одного пояса, а иногда и одной композиции можно встретить различные сцены, связанные с оптимистическими представлениями о судьбе человека и ожидающих его радостях загробной жизни, которые будут для него тем полнее, чем больше он страдал в своем несчастье. 
Процесс оправдания человека становится центральным и в сцене «Страшного суда», утратившего мрачный назидательный характер. «Страшный суд» в Софийском соборе – тема, где художник наиболее полно показывает свое понимание мира. Плеханов делает акцент на изображении трубящих ангелов. Четыре гигантские фигуры ангелов с огромными босыми ластообразными ступнями ног возвышаются над жалким сонмом и грешников, и праведников. Их золотые трубы издают оглушительный рев, в ответ на который «земля покорно отдает своих мертвецов, а море – утопленников, всех, кого растерзали звери, раздробили рыбы, расхитили птицы». Главной темой здесь становится не суд, а мощный и грозный «призыв последней трубы». Величественные ангелы в развевающихся белых одеждах, отчетливо различимые на фоне нежной зелени цветущей земли, монументальны и пластичны. Их изображения – основная доминанта живописи собора, ибо, за исключением сцены «Страшный суд», фигуры всех остальных сюжетов несколько статичны, скованны и менее пластичны. 
«Призыв трубы», вернее, идея утверждения загробной жизни, где для праведных откроются двери рая, а грешникам уготованы страшные муки ада, объединяет все части этой огромной композиции. В ее верхней части в окружении апостолов восседает всевышний суд, а ниже размещен ряд сцен, символизирующих подвластность человеческой жизни высшим силам. Здесь же взвешиваются на весах грехи и добрые дела людей. Это композиционный центр фрески. Слева апостол Петр ведет праведников к вратам рая. Справа группа грешников изгоняется в ад. Фигуры обеих групп идущих людей насыщены яркими, живыми деталями и подробностями. Среди грешников-иноверцев представлены иностранцы, облаченные по преимуществу в польские костюмы (илл. 10), что было явно связано с польско-литовской интервенцией (неугодные иноземцы – всегда «ляхи»). Врата рая изображены как богато украшенные двери одной из приходских ярославских церквей, а замочная личина на них и ключ в руках апостола Петра – как обычные детали амбарных замков того времени. 
Стенописцы Софийского собора охотно превращали даже трагические сюжеты в земные, чувственные, радостные. Так, композиция «Пир Ирода» трактуется как сцена реального пиршества. Саломея, чуть покачивая плечами, танцует русскую (илл. 7); за столом, уставленным кубками и различной снедью, сидят пирующие, наблюдая за танцем; здесь же слуга, разливающий вино, – словом, тут нет и намека на последующие за этим страшные события. Все жизненно, все пронизано ощущением радостного бытия. Эта фреска, как и многие другие в Софийском соборе, может служить источником для изучения быта того времени. Здесь нет духа аскетизма и глубокого назидательного смысла. 
Литература, властно вторгаясь в живопись, заставляет художников по-новому трактовать отдельные сцены, насыщать их различными подробностями. Евангелие и жития святых – зачастую лишь повод для изображения бытовых сценок, изобилующих реалистическими деталями. Многие фрески Софийского собора – это ряд новелл, своеобразно пересказанных мастерами. Доминирующее положение в них занимают не отдельные фигуры, как в стенописях раннего времени, а шумная и многоликая толпа. Вместо былой величавости речи язык фресок вологодской Софии становится живым, ярким и жизнерадостным. Это говор той же шумной и подвижной толпы, что собиралась когда-то здесь же, на площади перед собором. Появляется большое количество новых тем, неизвестных или малоизвестных живописцам более ранних лет. Все иконографические сюжеты обретают отныне права гражданства. 
Осознание собственного величия, осознание исторической роли простого народа и отдельного человека, особенно ярко проявившееся после польско-шведской интервенции – времени трагических противоречий феодально-крепостнического уклада, нашло свое выражение и в искусстве. В него мощным потоком хлынуло народное творчество с его сказочной фантастикой, жизнерадостностью, богатством узорочья, с земным чувством жизни. Отсюда появился интерес к иллюстрированию различных деяний апостолов, апокалиптических сюжетов (пророчество Иоанна Богослова о конце мира), евангельских сцен и притч, дающих возможность широко развернуть само действие, а художникам показать незаурядное мастерство композиции. 
Не менее важным средством художественной выразительности становится движение, которое не имеет единой направленности (в одной сцене оно идет в одну сторону, в другой – в противоположную), а также декоративность цвета. Вместо плавных, замедленных движений, наблюдаемых в фресках XV–XVI вв., у Плеханова на первый план выступает порыв, стремительность, правда, еще нигде не приобретающие самодовлеющего характера. Люди изображаются с очень маленькими головами и удивительно длинными фигурами, благодаря чему они изящны и необычайно стройны. 
В прошлом интерьер Софийского собора был своего рода музеем. Вологодские архиереи с наивозможным тщанием и старанием украшали свой храм. Записи приходно-расходных книг буквально испещрены заметками о расходах на покупку утвари и поновление различных святынь. 
В 1621 г. был сделан грандиозный амвон, который был расписан и обит тканями; в 1643 г. «деревщик» (скульптор) Ларион, вероятно, при ремонте иконостаса сделал и починил в соборе девятнадцать херувимов и серафимов. На следующий год в соборе, во вновь устроенном Федоровском приделе, «иконник Константин Кириллов пишет деисус с праздниками, да двери царские, на дверях евангелисты, да иконы местные». Для местных образов была сделана огромная красочная, так называемая тощая свеча (вернее, подставка для свечи из полого куска дерева, отчего она и называется тощей, или пустой). О первом иконостасе сведений нет, но в соборе хранятся прекрасные резные деревянные тябла иконостаса середины XVII в., принадлежащего одной из пригородных вологодских церквей. Они дают представление о том, каким мог быть иконостас Софийского собора в XVII в. 
В 1695 г. в соборе был сделан новый, пятиярусный иконостас по образцу иконостаса Успенского собора Троице-Сергиевой лавры резчиками того же монастыря. Он был увенчан деревянными изображениями херувимов и серафимов. Все иконы были написаны вологодскими мастерами. Однако и этот иконостас не дошел до наших дней: в 1733–1741 гг. он уступил место ныне существующему пятиярусному барочному иконостасу с иконами, уже написанными в манере, приближающейся к светской живописи. Почти не сохранилась и украшавшая интерьер собора скульптура – деревянные статуи святых, которые широко использовались в XVI–XVIII вв. в церковной службе. Они гибли не столько из-за многочисленных пожаров, сколько из-за распоряжений синода. Объемные, иллюзорно раскрашенные статуи-иконы производили сильное впечатление на верующих. Синод усмотрел в ритуале поклонения им пережитки языческого идолопоклонства. По его особому указу в начале XVIII в. подобную скульптуру стали изымать из церквей, свозить в Петербург и уничтожать. 
В Вологодском музее сохранились фрагменты двух первоклассных памятников деревянной пластики XVI в.– «Чудо Георгия о Змие» и «Параскева Пятница», возможно, некогда украшавшие Софийский собор. Первоначально они были заключены в специальные киоты и таким образом представляли собой объемные иконы, грубо обтесанные с их тыльной стороны. Георгий-воин издавна почитался на Севере. В XIV– XVI вв. изображение Георгия становится одним из самых распространенных в русской пластике и даже вводится в московский герб. Вологодский резчик сумел создать выразительный образ героя-воина, восседающего на вздыбленном коне (илл. 21). Он великолепно запечатлел напряженное движение, гармонически объединив фигуру всадника и коня. Весьма любопытна и раскраска скульптуры: серые доспехи всадника и серо-голубой конь. Серый с голубым отливом цвет коня – не прихоть и не фантазия художника. Древняя Русь знала лошадей подобной масти. В одной из берестяных новгородских грамот XIII в., в духовной грамоте 1508 г. рузского князя Ивана Борисовича и в других документах неоднократно упоминаются «голубые» кони. 
В образе Параскевы Пятницы, святой покровительницы торговли, мастер воплотил черты русской женщины с благородно-красивым овалом лица и ласково-задумчивым взглядом (илл. 20). 
В коллекции скульптуры Вологодского музея интересны также деревянные раскрашенные фигуры типа «Христос в темнице» XVIII в. Они представляют Христа, который сидит, подперев правой рукой голову, а левую руку согнув и опустив на колено. Одна из статуй (илл. 19) изображает сутулого, широкоплечего Спасителя с огромными ступнями вывороченных ног, таких же, как и у ангелов в композиции «Страшный суд» в Софийском соборе. На его груди, руках, ногах – пятна крови, падающей из-под тернового венца с шипами. Христос поражает безысходной печалью, которая видна в его лице, чувствуется в позе и в постановке головы, тяжело ушедшей в плечи. 
Большинство этих произведений исполнено довольно ремесленно, они лишены той торжественной выразительности и пластичности, так покоряющей нас в скульптуре XVI в. Вероятно, они происходят из двух-трех мастерских, которые в XVIII в. занимались выпуском подобных изделий. Об этом явно говорит характер обработки деталей. Так, например, у фигуры ангела, украшавшей какой-то неизвестный нам иконостас, и у описанного выше Христа совершенно одинаково трактованы не только руки, складки одежд, но даже ногти – крупные, овальной формы, с двойным ободком внизу. Интересна своим народным пониманием пластики небольшая статуя Николы, также вырезанная неизвестным мастером XVIII в. Она строится на сочетании пластически обобщенных масс дерева. Свой образ, правда, несколько примитивный, но чрезвычайно интересный, резчик создает, лишь слегка обрабатывая деревянную чурку. Его Никола, добрый человек, по-мужицки мудр и непритязателен. 
В немалой степени величию, пышности и великолепию интерьера Софийского собора способствовала и яркая театрализованность происходивших в нем церковных служб. Во второй половине XVII в. на Руси распространяются известные ранее лишь в Новгороде и Москве службы, зрелищно особо эффектные. К ним прежде всего относится так называемый «Чин пещного действа», целая постановка об отроках, не сгоревших в «пещи огненной». Красочная праздничность убранства, театрализованность, торжественность такой службы оказывали очень сильное воздействие на посетителей храма. С юго-западной стороны Софийского собора возвышается стройная колокольня. Архитектура ее принадлежит более поздней эпохе – середине XIX в. (илл. 4), хотя в ней отчетливо ощущается подражание зодчеству Древней Руси. Основу здания составляет древняя колокольня, построенная между 1654 и 1658 гг.; при ее возведении использовали «прежний городовой запас» Ивана IV, оставшийся от недостроенных стен. Облик этого довольно традиционного для середины XVII в. сооружения известен нам по ряду рисунков и гравюр. Его высокий восьмигранный столп с лопатками на углах и открытым верхним ярусом звона венчал стройный шатер с маленькой главкой. В 1869–1870 гг. колокольня перестроена губернским архитектором В. Н. Шильдкнехтом, после чего она стала самой высокой в Вологодской епархии. Нижнюю часть здания укрепили контрфорсами, а верхнюю, с шатром, разобрали, возведя новый ярус звона с главкой. Общее архитектурное оформление колокольни было выполнено в типичном для того времени псевдоготическом стиле. 
На колокольне сохранился ряд колоколов XVII в.: Большой, или Праздничный (1687, отлит в Любеке), Архангельский (1689), Большая Лебедь (1682, мастер И. Моторин), Часовой (1677), Великопостный, или Водовоз (1643), и др.