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.