Софийский собор был заложен в 1568 году по указу царя Ивана IV Грозного в рамках строительства Вологодского кремля. Целью было создание нового кафедрального храма взамен деревянного Воскресенского собора, который оказался за пределами новых укреплений. Строительство велось под личным наблюдением царя и завершилось в 1570 году. Однако после неожиданного отъезда Ивана Грозного из Вологды в 1571 году собор оставался неосвящённым до 1587 года. В этом году южный придел был освящён во имя Усекновения главы Иоанна Предтечи, а главный престол — в честь Софии Премудрости Божией.
Архитектурный облик Софийского собора был вдохновлён Успенским собором Московского кремля. Храм представляет собой пятиглавое сооружение с позакомарным покрытием и массивными стенами. В 1686–1688 годах собор был расписан артелью ярославских иконописцев под руководством Дмитрия Григорьева. Росписи охватывают площадь около 5000 квадратных метров и выполнены в традициях русской монументальной живописи XVII века.
В течение XVII–XVIII веков собор подвергался реставрационным работам после пожаров и разрушений. В 1737–1744 годах был установлен новый пятиярусный иконостас, сохранившийся до наших дней. В 1848–1851 годах проведён капитальный ремонт, в ходе которого были пристроены каменные притворы и расширены оконные проёмы. В 1966–1968 годах проведена реставрация, вернувшая собору облик, соответствующий XVII веку.
Колокольня Софийского собора была построена в 1654–1659 годах и представляла собой восьмиугольное сооружение с шатровым завершением. В 1869–1870 годах по проекту архитектора В. Н. Шильдкнехта была возведена новая колокольня высотой 78,5 метров, ставшая самой высокой в Вологодской епархии. На ней установлены колокола работы голландских, русских и немецких мастеров XVII–XIX веков.
В 1923 году Софийский собор был закрыт и передан краеведческому музею. С 1999 по 2007 год проведена комплексная реставрация, после которой собор открыт для посещения в летнее время. В некоторые церковные праздники в нём проводятся богослужения.
Воскресенский собор был построен в 1772–1776 годах по указу архиепископа Иосифа Золотого как тёплый кафедральный храм, предназначенный для богослужений в зимнее время. Он расположен рядом с Софийским собором на месте снесённой угловой башни кремля. Архитектором выступил Златицкий. Собор представляет собой двухэтажное пятиглавое здание в стиле барокко.
В 1920-х годах Воскресенский собор был закрыт и использовался в качестве склада. В 1999 году здание было возвращено Русской православной церкви. С 2000 года в соборе проводятся богослужения, а также осуществляется реставрация.
