Строительство каменного собора внутри кремля, на берегу реки Вологды началось в 1568 г. по распоряжению Ивана Грозного. Согласно летописным свидетельствам, Иван Грозный повелел «соборную церковь Софийскую во имя Успения Пресвятой Богородицы поставить внутри города у архиерейского дому». В качестве архитектурного образца был избран Успенский собор в Москве. Собор оставался неоконченным до 1587 г., когда при царе Фёдоре Иоанновиче приступили к его достройке. Отделка была выполнена не полностью: окончен был лишь южный придел, средняя же часть храма была достроена позднее.
В 1612 г., во время того как «польские и литовские люди и черкасы и казаки и русские воры» захватили Вологду, собор был разгромлен и повреждён пожаром: сгорели крыша и главы с крестами. После ухода захватчиков начались доделки и исправления собора.
При епископе Гаврииле в 1686—1688 гг. собор был расписан артелью ярославских иконописцев под руководством Дмитрия Григорьева. Перед росписью были растёсаны пять окон четверика и прорублены окошки в нижней части апсид. Оконные откосы были также расписаны артелью Дмитрия Григорьева.
В 1698 году и 1724 гг. собор подвергался разрушительным пожарам. После пожара 1724 г., в 1737—1744 гг. был установлен новый пятиярусный иконостас, существующий и сейчас.
До 1776 г., то есть до постройки тёплого Воскресенского собора, богослужения в Софийском соборе проходили круглый год.
При капитальном ремонте 1848—1851 гг. ко всем входам были пристроены каменные притворы, были расширены оконные проёмы, крышу покрасили в зелёный цвет. В 1860-х гг. вокруг Софийского собора была поставлена каменная ограда.
Собор посещали императорские особы: в 1724 г. — Пётр I, в 1824 г. — Александр I, в 1858 г. — Александр II.
В 1923 г. собор был закрыт и передан краеведческому музею. В Софийском соборе была размещена экспозиция по истории религии и атеизма, частью которой стал маятник Фуко, установленный в 1929 г.. С 1935 г. Софийский собор является памятником федерального значения.
В 1966—1968 гг. Всесоюзные научно-реставрационные мастерские (ВСНРМ) под руководством архитектора В. С. Баниге были проведены реставрационные работы, в результате которых собору вернули вид, соответствовавший XVII веку: устроено позакомарное покрытие из оцинкованной стали, установлены новые купола, восстановлены узкие окна в соборе, разобраны каменные притворы у входов в собор, восстановлены порталы входов. Внутри храма под руководством художника-реставратора Н. В. Перцева проводились работы по закреплению старинной фресковой живописи.
С 1999 по 2007 гг. была проведена комплексная реставрация собора. Сейчас Софийский собор находится в ведении Вологодского государственного музея-заповедника и открыт для посещения в летнее время. В некоторые церковные праздники в соборе проводятся службы.
В июне 2007 г. в Софийском соборе совершил торжественную литургию Патриарх Московский и Всея Руси Алексий II.
Памятник архитектуры. Номер объекта: 3510063013.
Первоначальное каменное здание колокольни построено в 1654—1659 гг. Она представляла собой восьмиугольное столпообразное сооружение с шатровым каменным верхом, увенчанным небольшой главкой. При строительстве применялся камень, сохранившийся от постройки кремля Ивана Грозного. На 1863 г. насчитывалось 14 колоколов, кроме того колокольня имела часы.
В 1860-х гг. при епископе Вологодском Палладии шатровый верх и звон колокольни были сняты. В 1869—1870 гг. на сохранившемся нижнем ярусе (высотой около 17 метров) по проекту архитектора В. Н. Шильдкнехта была построена более высокая колокольня в неоготическом стиле. В верхнем ярусе колокольни имеется смотровая площадка. Колокольню венчает позолоченный купол с крестом.
Памятник архитектуры. Номер объекта: 3510063004.
Самара Дата: 26 студзеня 2013 г.