Древнейшее каменное здание города — Софийский собор — памятник архитектуры XVI века. Размеры храма монументальны — длина стен 38,5 м, ширина 25,6 м, общая высота составляет 59 м. Храмы, подобные Софийскому, очень характерны для русского зодчества XVI столетия и являются одним из распространенных типов городских и монастырских соборов, строившихся по образу и подобию Успенского собора в Москве. Тем не менее, вологодский собор отличается от всех аналогичного типа храмов особой лаконичностью архитектуры, придающей собору специфически северную строгость.
Основание собора связано с именем царя Ивана IV, по приказу которого с 1568 по 1570 года в Вологде разворачивается грандиозное строительство. После отъезда Ивана Грозного из города храм оставался неосвящённым и нерасписанным в течение 17 лет. Только во время правления Фёдора Иоанновича собор был частично украшен. Фрески Софийского собора, спустя столетие, созданы при архиепископе Гаврииле артелью ярославских иконописцев. Возглавлял артель выдающийся мастер стенного письма Дмитрий Григорьевич Плеханов, с именем которого связаны также росписи Успенского собора Троице-Сергиевой лавры в Сергиевом Посаде и церкви Иоанна Предтечи в Толчкове в Ярославле. В середине XIX-го столетия фрески собора были переписаны артелью ярославского иконописца А.М. Колчина. По своеобразию иконографии и мастерству исполнения фрески Софийского собора относятся к лучшим памятникам русской монументальной живописи второй половины XVII века, площадь которых составляет около 5000 квадратных метров.
По воле Ивана Грозного, Софийский собор имеет одну достаточно примечательную особенность. Согласно древнему церковному канону, алтарь любого храма должен быть обращен на восток. Алтарь же Софийского собора смотрит на северо-восток, причем на север преимущественно. Вероятно, Иван IV хотел, чтобы алтарь собора был обращен к реке Вологде, хотя подобное расположение и противоречило традиции церковного строительства.
До наших дней полностью сохранился пятиярусный деревянный резной позолоченный иконостас 1724-1738 годов (третий со времени постройки собора), иконы для которого написаны польским живописцем Максимом Искрицким.
В течение всего времени своего существования Софийский собор неоднократно обновлялся и украшался; свой окончательный вид он принял только в XX столетии.
