Разные летописи называют датой закладки собора 1017 или 1037 год. Учитывая политическую обстановку на Руси, более вероятной видится вторая дата. Первоначально собор не был оштукатурен: для того чтобы можно было представить его исходный облик на фасадах оставлены участки раскрытой кладки.
В 1240 Софийский собор был разграблен и разрушен воинами Батыя, в 1385 — 90 гг. митрополит Киприан воссоздал его из руин, после чего он более трех с половиной веков находился в запустении, хотя и продолжал действовать. В 1596 собор переходит к Украинской грекокатолической (Униатской) церкви, 1630-е годы отобран у неё киевским митрополитом Петром Могилой, который отреставрировал собор и основал при нём мужской монастырь. Работы по обновлению храма продолжались до 1740 года, когда он окончательно приобрёл нынешний облик.
