Музей истории архитектуры Софийского собора — это головной музей Национального Полоцкого историко-культурного музея-заповедника.
Экспозиция начала работать в 1987 г. Этому предшествовали реставрация Софийского собора и архитектурно-археологические исследования, которые начались в 1969 г. Реставрацию осуществляли Специальные научно-реставрационные производственные мастерские Министерства культуры БССР. Автор проекта реставрации — белорусский архитектор Валерий Слюнченко (1945—1992). В реставрации собора принимали участие белорусские и литовские реставраторы, российские археологи, чешские мастера органостроения.
Архитектурно-археологические исследования проводила экспедиция Ленинградского (ныне Санкт-Петербургского) Государственного университета под руководством кандидата искусствоведения Валентина Булкина (1937—2016).
В экспозиции музея можно увидеть фрагменты кладки XI в., практически полностью сохранившийся древний фундамент, фрагменты фресковой росписи конца XI в. Экспонаты музея рассказывают об истории архитектуры самой древней каменной постройки на территории Беларуси, о многочисленных перестройках и последней реставрации памятника.
Помимо основной экспозиции, в музее представлена «Выставка деревянной культовой скульптуры XVIII—XIX вв.», а также проходят сменные выставки из фондов Национального Полоцкого историко-культурного музея-заповедника.
В 1983 г. в Софийском соборе был открыт концертный зал камерной музыки, а в 1985 г. установлен орган, изготовленный чешской фирмой «Rieger Kloss».
Площадь экспозиции: 950 кв.м.
Экспонируется 120 уникальных музейных предметов.
Научная концепция: Джумантаева Т. А., Орлова Т. А., Песина И. Е.
Художественное решение: Коновалов А. В.
Собор внесён в Государственный список историко-культурных ценностей Республики Беларусь и охраняется государством.