Первая деревянная колокольня Софийского собора была возведена в конце XVI века, но сгорела во время польско-шведской интервенции 22 сентября 1612 года. Новую деревянную колокольню построили в 1620-х годах. Согласно писцовой книге 1627 года, она имела восьмиугольную форму с шатровым верхом, покрытым «чешуей», и была оборудована двумя полатями, тремя лестницами, часами и одиннадцатью колоколами. Эта колокольня также сгорела в 1636 году, и на её месте в 1642 году возвели ещё одну деревянную.

В 1654 и 1659 годах деревянную колокольню заменили на каменную. Она представляла собой восьмиугольное сооружение с каменным шатровым верхом и небольшой главкой. При её строительстве использовали камень от кремля Ивана Грозного. В 1863 году на колокольне было 14 колоколов и часы. О прежней колокольне можно судить по сохранившейся колокольне Владимирских церквей, построенной по её образцу.

В 1860-х годах при епископе Вологодском Палладии шатровый верх и звон колокольни были сняты. В 1869 и 1870 годах на сохранившемся нижнем ярусе высотой около 17 метров, по проекту архитектора В. Н. Шильдкнехта, была построена более высокая колокольня в псевдоготическом стиле. Теперь её высота составляет 78,5 метров, что делает её самой высокой в Вологодской епархии. В верхнем ярусе колокольни расположена смотровая площадка, а венчает её позолоченный купол с крестом.

На колокольне установлены колокола работы голландских, русских и немецких мастеров XVII, XVIII и XIX веков. Среди колоколов XVII века выделяются «Часовой», «Великопостный», «Водовоз», «Малая лебедь», украшенный «травами», вязью летописи и клеймами с изображениями святых из упразднённого Николаевского Озерского монастыря 1656 года, «Большой» или «Праздничный», весом около 7580 кг, отлитый в Любеке в 1687 году, «Большая лебедь» и «Архангельский». Колокол «Большая лебедь» был отлит И. Ф. Моториным, создателем знаменитого Царь-колокола.

В 1701 году на колокольне насчитывалось 22 колокола. В декабре 1871 года на колокольне установили новые часы с четырьмя перечастными колоколами. Когда в 1701 году по всей России описывались колокола для изъятия четверти «колоколенной меди» на военные нужды, вместо софийских колоколов в Москву отправили два битых колокола, много меди разных сортов и олова. В благодарность от Петра I вологжане получили грамоту, а в 1702 году, два колокола в подарок, один из которых, моторинская «Большая лебедь». Всего на новой колокольне было 26 колоколов, из которых все, кроме самого маленького, сохранились до наших дней. Колокола Софийского собора вновь начали использоваться с 1989 года.