Полоцкий Софийский собор — первая страница почти 1000-летней архитектурной летописи старейшего белорусского города. Войны и пожары неоднократно изменяли первоначальный вид храма. После взрыва, который произошёл в 1710 г., он был практически полностью перестроен.
С историей первой каменной постройки на белорусских землях знакомит экспозиция Музея истории архитектуры Софийского собора.
Открывает экспозицию известковый камень с надписью «Давыд, Тума, Микула, Копесь, Пётр, Воришко»; он был найден в южной части фундамента Софийского собора. Этот камень является памятником письменности ХІ века.
Первоначальный вид Софийского собора нам известен благодаря архитектурно-археологическим исследованиям, которые проводила экспедиция Ленинградского (ныне Санкт-Петербургского) Государственного университета под руководством кандидата искусствоведения Валентина Булкина (1937—2016). В экспозиции представлен макет Софийского собора ХІ в. Реконструкция — Георгия Штыхова, автор макета — Руслан Хлебородов. За макетом можно увидеть фрагмент стены ХІ в.
В нижнем зале музея представлена плинфа — строительный материал ХІ в.
Фундамент ХІ в. сохранился практически полностью. Его можно рассмотреть со смотровой площадки в нижнем зале музея.
Здесь же представлены и предметы, которые были найдены во время археологических работ на Верхнем замке в 1978 г.
Золотой мужской перстень. XI в.
Вислая печать XI в., которая принадлежала киевскому князю Всеволоду Ярославичу (1030—1093), с изображением святога Андрея и надписью «Господи, помоги рабу своему Андрею Свалду».
Фрагмент покрывала из женского погребения XVI в. На шёлковой ткани сохранилась надпись — строчка из молитвы, вышитая золотой нитью.
В северном алтаре XVIII в. представлена часть постоянно действующей выставки культовой деревянной скульптуры XVIII—XIX вв.
Последняя перестройка собора, в стиле виленского барокко, осуществлённая под руководством Яна Криштофа Глаубица, относится к середине XVIII в. Все уцелевшие фрагменты древнего храма были гармонично включены в структуру нового.
В восточной части собора можно увидеть практически полностью сохранившийся алтарь XI в.
В восточном алтаре сохранились наибольшие фрагменты фресковых росписей конца XI в. Это древнейшие фрески на белорусских землях.
Повернувшись к северному алтарю, можно увидеть, как богато был украшен интерьер храма в XVIII в. Алтарная часть отделена от центрального нефа высокой 3-ярусной преградой, которая завершается на своде горельефной композицией «Святая Троица Новозаветная». 
Над царскими вратами главного алтаря — копия знаменитой работы Леонардо да Винчи «Тайная вечеря». Написана она в XVIII в. неизвестным автором. Второй ярус украшает композиция «Спас Нерукотворный», созданная в XIX в. В северо-западном малом алтаре сохранился фрагмент композиции «Распятие с предстоящими», написанной в начале XX в.
Обращает на себя внимание и самый большой клавишно-духовой инструмент — орган.
В концертном зале Софийского собора два раза в год проходят Международные фестивали: