Собор был построен в середине XI в. по инициативе князя Всеслава Брячиславича и освящён во имя Святой Софии. Слово «софия» в переводе с греческого означает «мудрость». Софийский собор — храм во имя Премудрости Божией.
Возводя у себя в столице Софийский собор, князь Всеслав придерживался политических целей — заявлял о силе и независимости Полоцкой земли, могуществе княжеской власти. Собор стал духовным, политическим и административным центром Полоцкого княжества. В соборе проводились церемонии посажения князя на престол, принимали важных гостей, послов, подписывали мирные договоры.
Софийский собор был важным культурным центром. Здесь велось летописание, переводились и переписывались книги. Известно, что в Полоцкой Софии за первые несколько веков её существования была собрана уникальная, древнейшая на белорусских землях библиотека рукописных книг.
Собор XI в. представлял собой крестово-купольную постройку в византийском стиле, имел в объёме форму куба с ребром 26,4 метра. По христианским канонам храм был ориентирован главным алтарём на восток. Венчали собор 7 шлемовидных куполов.
До нашего времени Софийский собор сохранился в значительно изменённом виде, так как на протяжении своей многовековой истории неоднократно подвергался разрушениям, пожарам и перестройкам, принадлежал христианам православной и униатской конфессий.
На рубеже XV—XVI вв. собор был перестроен в храм оборонительного типа. В 1705 г. во время Северной войны Софийский собор был закрыт, а в 1710 г. сильно пострадал от взрыва порохового склада, который в нём располагался. 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.
Богослужения в Софийском соборе проходили до начала 20-х годов XX в. Затем храм использовали как зернохранилище, книжный склад, архив.
В 70-е годы XX в. в соборе проводились научно-реставрационные работы и архитектурно-археологические исследования. Реставрацию осуществляли Специальные научно-реставрационные производственные мастерские Министерства культуры БССР. Автором проекта реставрации Софийского собора стал известный белорусский архитектор Валерий Григорьевич Слюнченко (1945—1992).
Первоначальный вид Софийского собора нам известен благодаря архитектурно-археологическим исследованиям, которые проводила экспедиция Ленинградского (ныне Санкт-Петербургского) Государственного университета под руководством кандидата искусствоведения Валентина Александровича Булкина (1937—2016).
В 1987 г. была открыта экспозиция Музея истории архитектуры Софийского собора. В экспозиции 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.
Софийский собор в настоящее время — головной музей Национального Полоцкого историко-культурного музея-заповедника. Это бренд города Полоцка, его визитная карточка. Более 100 тысяч посетителей из разных стран мира музей принимает ежегодно. Софийский собор вошёл в современную жизнь как центр культуры, искусства, воплощение творчества, вдохновения и красоты. Он напоминает нам о прошлом, связывая его с настоящим, утверждая вечные человеческие ценности.
Собор внесён в Государственный список историко-культурных ценностей Республики Беларусь и охраняется государством.
В 1983 г. в Софийском соборе был открыт концертный зал камерной музыки, а в 1985 г. установлен орган, изготовленный чешской фирмой «Rieger Kloss».
Ежегодно в концертном зале Софийского собора проходит более 200 концертов. Международный фестиваль старинной и современной камерной музыки и Международный фестиваль органной музыки «Званы Сафіі» пользуются большой популярностью у слушателей. Традиционно каждое воскресенье в Софийском соборе проходит концерт органной музыки в исполнении солистки концертного зала, лауреата международного конкурса, заслуженной артистки Республики Беларусь Ксении Погорелой.
Концертный зал с его уникальной акустикой органично сочетается с экспозицией Музея истории архитектуры Софийского собора.
