Im Jahr 1567 begann der Bau des Wologda-Kremls, im Rahmen dessen der Bau einer neuen Kathedrale anstelle der hölzernen Auferstehungskirche geplant war, die außerhalb des neuen Stadtzentrums lag. 1568 begann auf Befehl von Iwan dem Schrecklichen der Bau der steinernen Kathedrale am Ufer des Wologda-Flusses. Die Chroniken berichten, dass der Zar befahl, die Kathedrale der Heiligen Sophia im Namen der Himmelfahrt der Heiligen Gottesmutter innerhalb der Stadt, beim Bischofshaus, zu errichten. Nach anderen Angaben wurde der Bischofshof später, bereits zum Bau der Kathedrale, verlegt. Archäologische Ausgrabungen im Jahr 2000 zeigten in diesem Gebiet Bauwerke aus den Jahren 1560-1570.

Das architektonische Vorbild für die Kathedrale war die Himmelfahrtskathedrale in Moskau, da Iwan der Schreckliche in seiner nördlichen Residenz eine Ähnlichkeit mit dem Moskauer Tempel sehen wollte. Der Zar überwachte persönlich den Bau und hielt sich oft in Wologda auf. 1570, nach Abschluss der Hauptarbeiten, besuchte er die Kathedrale, verließ jedoch bald die Stadt, und der Bau wurde eingestellt.

Die Kathedrale blieb bis 1587 unvollendet, als unter Zar Fjodor Iwanowitsch mit dem Bau fortgefahren wurde. Fertiggestellt wurde nur der südliche Altar, während der mittlere Teil des Tempels später vollendet wurde. Der südliche Altar wurde 1587 von Bischof Antonij im Namen der Enthauptung des Heiligen Johannes des Täufers, dem Schutzpatron Iwan des Schrecklichen, geweiht. Der Altar befand sich im Diakonat der Kathedrale bis zur umfassenden Renovierung in den Jahren 1848-1850.

Im Jahr 1612, als Wologda von polnischen und litauischen Truppen besetzt wurde, wurde die Kathedrale verwüstet und durch ein Feuer beschädigt. Nach dem Abzug der Eroberer begannen die Wiederherstellungsarbeiten, und in den Jahren 1612-1613 wurde die Kathedrale erneut geweiht. 1639 schenkte Michail Fjodorowitsch der Kathedrale einen kupfernen Kronleuchter, und später wurden noch drei weitere Kronleuchter in Archangelsk erworben.

In den Jahren 1686-1688 wurde die Kathedrale von Jaroslawler Ikonenmalern unter der Leitung von Dmitrij Grigorjew bemalt. Vor der Malerei wurden die Fenster vergrößert und Öffnungen in den Apsiden geschaffen. In den Jahren 1698 und 1724 wurde die Kathedrale durch Brände beschädigt, nach denen in den Jahren 1737-1744 ein neuer Ikonostase installiert wurde.

Bis 1776 fanden in der Kathedrale das ganze Jahr über Gottesdienste statt. Während der Renovierung in den Jahren 1848-1851 wurden steinerne Vorhallen angebaut, die Fensteröffnungen vergrößert und das Dach gestrichen. In den 1860er Jahren entstand um die Kathedrale eine steinerne Umfriedung.

Die Kathedrale wurde von Kaisern besucht: Peter I. im Jahr 1724, Alexander I. im Jahr 1824 und Alexander II. im Jahr 1858. 1923 wurde die Kathedrale geschlossen und dem Heimatmuseum übergeben, wo eine Ausstellung zur Geschichte der Religion und des Atheismus eingerichtet wurde. Seit 1935 ist die Kathedrale ein Denkmal von föderaler Bedeutung.

In den Jahren 1966-1968 fanden unter der Leitung des Architekten V.S. Banige Restaurierungsarbeiten statt, bei denen der Kathedrale ihr Aussehen aus dem 17. Jahrhundert zurückgegeben wurde. Im Inneren des Tempels wurden alte Fresken unter der Leitung von N.V. Perzew befestigt.

Von 1999 bis 2007 fand eine umfassende Restaurierung der Kathedrale statt. Heute steht sie unter der Verwaltung des Wologda Staatlichen Museums-Reservats und ist im Sommer für Besucher geöffnet. An einigen kirchlichen Feiertagen finden in der Kathedrale Gottesdienste statt. Im Juni 2007 feierte Patriarch Alexij II. in der Kathedrale eine feierliche Liturgie.