Софийский собор — это древнейшее здание Вологды и одно из самых внушительных по размерам вологодских сооружений. Это типичная для русского зодчества постройка, но несколько строгая и холодная для России.
После постройки храм долгое время оставался «неодушевлённым» — его не освящали 17 лет и не позаботились о внутренних росписях. Собор впоследствии был частично украшен, но фрески свои обрёл только столетие спустя.
Стенная роспись была произведена по руководством русского мастера Д.Г. Плеханова, также участвовавшего в росписи Успенского собора Троице-Сергиевской лавры. Позже фрески Софийского собора были переписаны артелью ярославских иконописцев и сейчас относятся к лучшим образцам русской мировой живописи. Расположение алтаря собора противоречит христианской традиции — вместо востока он расположен на север, в сторону реки Вологды. Это было сделано по приказу Ивана Грозного, который видел в этом нарушении какой-то особый смысл.
В прекрасном виде сохранился пятиярусный иконостас собора. В XVIII веке он был выполнен из дерева, украшен резьбой и позолотой. Иконы для него были написаны польским мастером.
Софийский собор неоднократно подвергался реставрации, в ходе которой не только восстанавливались повреждённые элементы, но и добавлялись новые, также собор был украшен деревянными скульптурами.