Внутри крепости Ивана Грозного на берегу реки Вологды возведен каменный собор Софии, который построен в древне-византийском стиле, по образцу московского Успенского собора. Здание увенчано пятью огромными главами. Собор освещается узкими, длинными окнами. В него ведут три входа: с южной, северной и западной сторон. Наружные стены практически не имеют никаких украшений. У храма неправильная ориентация на северо-восток (по церковным канонам храмы должны быть обращены на восток). Говорят, Иван Грозный хотел, чтобы собор был обращен к реке. Царь, посетив собор после завершения основных строительных работ в 1570 году, неожиданно покинул Вологду и уже более не возвращался, а строительство кремля и собора было заброшено. По этому поводу существует легенда, что когда он вошел в храм, со свода неожиданно упал кирпич, повредив голову государя. Крепкая же была царева голова, потому что кирпич этот не маленький. Государь рассердившись, велел собор разрушить. Так Вологде не суждено было стать столицей Государства Российского. Софийский собор все-таки пожалели, но освящен он был только через 17 лет преосвященным Антонием, епископом Вологодским и Великопермским.
Сейчас Софийский собор находится в ведении Вологодского государственного музея-заповедника. С 2007 года после реставрации он открыт для посещения в летнее время. В соборе практически полностью сохранились иконостас с иконами, написанными польскими и вологодскими мастерами, и уникальные фрески XVII века. Софийский собор является усыпальницей вологодских архиереев. По некоторым церковным праздникам здесь проводятся службы.