En 1567, la construction du Kremlin de Vologda a commencé, avec la planification d'une nouvelle cathédrale à l'emplacement de la cathédrale en bois de la Résurrection, qui se trouvait en dehors du nouveau centre urbain. En 1568, par ordre d'Ivan le Terrible, la construction d'une cathédrale en pierre a débuté sur les rives de la rivière Vologda. Les chroniques rapportent que le tsar a ordonné la construction de l'église cathédrale de la Sainte-Sophie au nom de l'Assomption de la Sainte Vierge à l'intérieur de la ville, près de la maison de l'archevêque. Cependant, selon d'autres sources, la résidence archiépiscopale a été déplacée plus tard, déjà vers la cathédrale en construction. Des fouilles archéologiques de l'année 2000 ont révélé dans cette région des constructions datant des années 1560-1570.

Le modèle architectural de la cathédrale était la cathédrale de l'Assomption à Moscou, car Ivan le Terrible voulait voir dans sa résidence du nord une ressemblance avec le temple moscovite. Le tsar surveillait personnellement la construction et s'arrêtait souvent à Vologda. En 1570, après l'achèvement des travaux principaux, il a visité la cathédrale, mais a rapidement quitté la ville, et la construction a été abandonnée.

La cathédrale est restée inachevée jusqu'en 1587, lorsque sous le règne du tsar Fiodor Ioannovitch, elle a été achevée. Seule la chapelle sud a été terminée, tandis que la partie centrale du temple a été achevée plus tard. La chapelle sud a été consacrée en 1587 par l'évêque Antoniy au nom de la Décollation de la tête de Jean-Baptiste, saint patron d'Ivan le Terrible. La chapelle se trouvait dans le diaconat de la cathédrale jusqu'à la rénovation majeure de 1848-1850.

En 1612, lorsque Vologda a été capturée par les troupes polonaises et lituaniennes, la cathédrale a été détruite et endommagée par un incendie. Après le départ des envahisseurs, des travaux de restauration ont commencé, et en 1612-1613, la cathédrale a été à nouveau consacrée. En 1639, Mikhaïl Fiodorovitch a offert à la cathédrale un chandelier en cuivre, et plus tard, trois autres chandeliers ont été achetés à Arkhangelsk.

Entre 1686 et 1688, la cathédrale a été peinte par des iconographes de Iaroslavl sous la direction de Dmitri Grigoriev. Avant la peinture, les fenêtres ont été agrandies et des ouvertures ont été percées dans les absides. En 1698 et 1724, la cathédrale a été endommagée par des incendies, après quoi un nouvel iconostase a été installé entre 1737 et 1744.

Jusqu'en 1776, des services religieux étaient célébrés dans la cathédrale toute l'année. Pendant la rénovation de 1848-1851, des portiques en pierre ont été ajoutés, les ouvertures des fenêtres ont été élargies et le toit a été peint. Dans les années 1860, une clôture en pierre a été érigée autour de la cathédrale.

La cathédrale a été visitée par des empereurs : Pierre Ier en 1724, Alexandre Ier en 1824 et Alexandre II en 1858. En 1923, la cathédrale a été fermée et transférée au musée régional, où une exposition sur l'histoire de la religion et de l'athéisme a été installée. Depuis 1935, la cathédrale est un monument d'importance fédérale.

Entre 1966 et 1968, sous la direction de l'architecte V.S. Banige, des travaux de restauration ont été réalisés, redonnant à la cathédrale son apparence du XVIIe siècle. À l'intérieur du temple, des fresques anciennes ont été fixées sous la direction de N.V. Pertsev.

De 1999 à 2007, une restauration complète de la cathédrale a eu lieu. Elle est maintenant sous la gestion du musée-réserve d'État de Vologda et ouverte aux visites en été. À certaines fêtes religieuses, des services sont célébrés dans la cathédrale. En juin 2007, le patriarche Alexis II a célébré une liturgie solennelle dans la cathédrale.