Собор построен на месте обыде́нной (то есть, построенной за один день 28 октября 1654 года) деревянной церкви Спаса Всемилостивого, которую называли «Всеградской». В том году в Вологде свирепствовала ужасная моровая язва, и строительство церкви было предпринято в качестве духовного подвига, чтобы избавиться от болезни.

Спустя четыре дня после постройки церкви также за один день, была написана икона Всемилостивого Спаса, которая стала главной святыней храма и всего города.

Но деревянная церковь быстро ветшала и не могла вместить толпы богомольцев. Поэтому в 1688 году началось возведение каменного собора. Полностью храм был готов в 1691 году...

"Войдя в храм, прежде всего поражаешься его обширности. Пред взором открывается трапезная в 12 сажен длины при ширине в семь и вышине в четыре сажени со сводчатым потолком, поддерживаемым четырьмя столбами. Громадная арка соединяет трапезу с передним храмом. Новая иконопись в приделах и настенное письмо немало способствуют благолепию храма, в 1898 г. поновленного и украшенного уборкою. Работы по иконописи и живописи выполнены московским живописцем Ивановым" - записал отец Сергий в начале двадцатого века.

25 мая 1924 года зампред Вологодского Губисполкома направил в Народный комиссариат юстиции письмо о закрытии и ликвидации некоторых вологодских храмов... В помещении разместился городской «Дом Искусств», а потом кинотеатр им. Горького. В 1972 году собор был уничтожен окончательно...