Построению собора предшествовало закладка в Вологде в 1566 г. по воле и под личным надзором царя Ивана Грозного каменной крепости. Поскольку прежний деревянный Воскресенский собор оказывался за пределами новых укреплений, то царь решил строить новый собор и архиерейский двор на новом месте – внутри кремля. Строительство собора интенсивно велось в 1568–1570 гг. Материалом для собора послужили припасы, заготовленные для строительства стен города: привезённый издалека серый и белый камень, кирпич. Летописец свидетельствует, что работали с особой тщательностью. На ночь кладка закрывалась лубьём для предохранения от дождя и холода. К 1571 г. собор был практически достроен, но внимание Ивана Грозного оказалось отвлечено от работ в Вологде: в это время на Руси разразилась эпидемия, а на Москву напал крымский хан Девлет-Гирей. Последовавшая отмена опричнины полностью изменила замыслы царя в отношении своей северной резиденции. Вологодский кремль долго оставался недостроенным, а собор – неосвящённым, не была закончена и его отделка. Известно, что лишь 1 октября 1588 г., уже после смерти Ивана Грозного, святителем Антонием, епископом Вологодским и Великопермским, был освящен первый придел во имя Усекновения главы Иоанна Предтечи (небесного патрона Ивана Грозного). Летописец сообщает, что через некоторое время после Предтеченского придела и вся «церковь была освящена» – очевидно, и главный престол собора, получивший посвящение Софии – Премудрости Слова Божия. Третий престол собора был освящён в честь Фёдора Стратилата – святого, на день памяти которого приходились именины царствовавшего тогда Фёдора Иоанновича. 22 сентября 1612 г. на Вологду напали «польские и литовские люди, и черкасы, и козаки, и русские воры». Город был разграблен и сожжён, сильно пострадал и Софийский собор. После ухода захватчиков был объявлен сбор денег и церковной утвари для восстановления собора. Главный престол собора вновь был освящен в декабре 1613 г. архиепископом Сильвестром, а Предтеченский придел – в июне 1614 г. Но собор оставался обгорелым, с временными главами и крестами, и поэтому в 1613 г. был объявлен ещё один сбор денег с церквей епархии «по полтине с клира». На собранные деньги в 1615–1616 гг. устроены деревянная крыша, главы и кресты, обитые «белым» (лужёным) железом и укреплённые железными цепями. В 1686 г. было начато «стенное писание» в соборе. Эту работу осуществил за два года знаменитый ярославский иконописец Дмитрий Григорьевич Плеханов с тридцатью помощниками. Масштабные фрески собора исполнены в декоративной манере, свойственной ярославской стенописи второй половины XVII в. В куполах изображены Пантократор, Богоматерь Знамение, Иоанн Предтеча, Отечество; в барабанах – праотцы. Западную стену занимает «Страшный суд». На сводах и разделённых на шесть ярусов стенах помещены росписи с евангельскими сюжетами и изображениями Вселенских соборов. На столпах изображены святые воины и князья. Стенопись алтаря состоит из четырёх ярусов. В 1688 г. собор снаружи был отремонтирован, на главы собора установлены железные прорезные кресты, выкованные Ульяном Омельяновым по образцу креста не сохранившейся до наших дней церкви Николы Явленного в Москве. После пожара 1698  г., уничтожившего кровлю и шлемовидные завершения глав, новые купола для собора были увеличены и сделаны уже в форме луковиц. Так они выглядят и сегодня: это видоизменение пришлось собору «к  лицу». В ходе ремонтов XVIII–XIX вв. собор окружили невысокой каменной оградой, позакомарное покрытие заменили на четырёхскатную кровлю, ко всем входам пристроили тамбуры. Эти перестройки сделали силуэт собора приземистым. Высокая значимость собора определяется и его мемориальной функцией: в нём в период с конца XVI до начала XIX в. были похоронены 12 вологодских архиереев, один из которых, впервые освятивший собор святитель Антоний (правил в 1585–1588 гг.), почитается как святой (его мощи в 1998 г. перенесены в церковь Николы во Владычной слободе в Вологде). В соборе были приезжавшие в Вологду императоры Пётр I, Александр I и Александр II. В соборе сохранился третий по счёту иконостас, построенный в 1724–1737 гг. мастером Арсением Борщевским. Это монументальное пятиярусное сооружение в стиле барокко завершено Распятием с предстоящими. Иконы для нового иконостаса написаны в 1730-х гг. Максимом Искрицким. В 1765 г. в соборе был сделан не сохранившийся доныне пол из чугунных плит. В 1923 г. храм был закрыт и передан краеведческому музею, который разместил в нём небольшую экспозицию, посвящённую истории религии и атеизма, центром которой несколько десятилетий был маятник Фуко. Это позволяло сохранить интерьер собора и показывать его экскурсантам. В 1988 г. в соборе после долгого перерыва снова начались праздничные службы. В августе 1992 г. впервые в истории Вологды в соборе состоялось патриаршее богослужение. В июне 2007 г. Святейший Патриарх Московский и всея Руси Алексий II вновь служил в обновлённом соборе.