Софійський собор був закладений в 1037 року князем Ярославом Мудрим. За переказами, храм був возведений саме на тому місці, де князь отримав перемогу над язичниками печенігами. У XI-XIII сторіччях собор неодноразово розорявся — половцями, печенігами, а особливо нищівного руйнування собор зазнав при захопленні Києва в 1240 році татаро-монголами під проводом хана Батия. Храм був зруйнований, але все ж не знищений. У 1385 — 90 рр. митрополит Кіпріан відтворив його з руїн, після чого більше трьох з половиною століть храм знаходився в запустінні. У 1630-і роки київський митрополит Петро Могила відреставрував собор і заснував при ньому чоловічий монастир. Роботи з оновлення храму тривали до 1740 року, коли він остаточно придбав нинішній вигляд.

Дзвіниця Софійського собору була побудована за замовленням гетьмана Мазепи. До сьогоднішнього дня зберігся дзвін, відлитий також за його замовленням, який знаходиться на другому поверсі дзвіниці і носить назву «Мазепа».

Загроза руйнування нависла над древнім храмовим комплексом у XX столітті. На початку 1930-х років радянська влада прийняла рішення про знищення Софії, лише втручання Франції, яка пам'ятала про те, що королева Анна (дружина Генріха I) була дочкою засновника храму Ярослава Мудрого, не дозволило знищити цю реліквію.

Спочатку Софійський собор являв собою пятинефный хрестово-купольний храм з 13 головами. З трьох сторін він був оточений двох'ярусної галереєю, а зовні неї ще більш широкої одноярусною. Нефи собору закінчувалися на сході п'ятьма вівтарними апсидами. Але в результаті перебудов XVII—XVIII століть собор істотно змінив свій вигляд. Зовнішні галереї були надбудовані, з'явилися нові приділи, увінчані додатковими куполами (всього нині їх 19). Собор був побілений. Стародавня напівсферична форма голів була замінена на характерну для українського бароко високу грушовидну форму.

Інтер'єр собору зберіг велику кількість фресок і мозаїк XI століття, виконаних кращими візантійськими майстрами. Палітра мозаїк нараховує 177 відтінків. На стінах храму зображені сцени з життя Христа і Богородиці, її батьків Іоакима і Ганни, апостолів Петра і Павла, Георгія Побідоносця, покровителя Києва — архістратига Михаїла і багатьох православних святих.