Первая деревянная колокольня Софийского собора была построена в конце XVI века и сгорела во время польско-шведской интервенции 22 сентября 1612 года. Новая деревянная была построена в 1620-х годах. Согласно писцовой книге 1627 года, она была восьмиугольной, с шатровым верхом, крытым «чешу́ей», с «двои полати», тремя лестницами, часами, одиннадцатью колоколами. Эта колокольня сгорела в 1636 году. На её месте в 1642 году построили очередную (третью) деревянную.
В 1654—1659 годах деревянную колокольню заменили каменной. 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 год насчитывалось 14 колоколов, кроме того колокольня имела часы. О прежней колокольне Софийского собора можно судить по сохранившейся колокольне Владимирских церквей, которая была построена по образу Софийской.
В 1860-х годах при епископе Вологодском Палладии шатровый верх и звон колокольни были сняты. В 1869—1870 годах на сохранившемся нижнем ярусе (высотой около 17 метров) по проекту архитектора В. Н. Шильдкнехта была построена более высокая колокольня в псевдоготическом стиле. С этого времени колокольня имеет высоту 78,5 метров (на 32 метра выше предшествующей) и считается самой высокой в Вологодской епархии. В верхнем ярусе колокольни имеется смотровая площадка. Колокольню венчает позолоченный купол с крестом.
На Софийской колокольне установлены колокола работы голландских, русских и немецких мастеров XVII, XVIII и XIX веков. Среди колоколов XVII века: старейший «Часовой» (1627 г.), «Великопостный» (1643 г.), «Водовоз» (1643 г.), «Малая лебедь» (богато украшенный «травами», вязью летописи и клеймами с изображениями святых, из упразднённого Николаевского Озерского монастыря, 1656 г.), «Большой» (или «Праздничный», весом 462 пуда (ок. 7580 кг), отлит в Любеке, 1687 г.), «Большая лебедь» (1692 г.) и «Архангельский» (1688 г.). Колокол «Большая лебедь» отлит И. Ф. Моториным, создавшим знаменитый Царь-колокол. В «летописи», опоясывающей «Большую лебедь» двумя поясами рельефной вязи, сказано:
|
«Лета 7200-го вылит сей колокол при державе великих государей царей и великих князей Иоанна Алексиевича, Петра Алексиевича всея великия и малыя и белыя России самодержцев. Лил сей колокол мастер Иван Моторин». | 
|
Всего в 1701 году на колокольне насчитывалось 22 колокола. В декабре 1871 года на колокольне установили новые часы с четырьмя перечастными колоколами. Когда в 1701 году по всей России описывались колокола для изъятия четвёртой части «колоколенной меди» на военные нужды, вместо софийских колоколов в Москву были отправлены 2 битых колокола, много меди разных сортов и олова. В благодарность от Петра I вологжане получили грамоту, а в 1702 году — 2 колокола в подарок (один из которых — моторинская «Большая лебедь»). Всего на новой колокольне висело 26 колоколов. Все они, за исключением самого маленького, сохранились до наших дней. Колокола Софийского собора вновь используются с 1989 года.
Шатровая колокольня тёплой Владимирской церкви построена в 1684—1689 гг. по образцу прежней колокольни Софийского собора
