Підготовка до будівництва головного сибірського кам'яного собору велася майже три роки. З Москви прислали дозвіл використовувати селян на будівництві, але не в літній час. Прислали і зразок, за яким треба було будувати церкву. Храм будували досвідчені московські каменщики в союзі з артіллю устюжских будівельників. Будівництво почалося в 1683 році, а закінчено у 1686 році, в тому ж році перша в Сибіру кам'яна церква була освячена. Собор спочатку називався Успенським, але пізніше був перейменований в Софійський.

Храм розташований на вершині Троїцького мису і від нього круто вниз йде кам'яний узвіз. У 1751 році до північного фасаду собору було прибудовано Zlatoust приділ, в ньому розташовується соборна ризниця.

З італійської культури епохи Відродження в Софійському соборі можна побачити геометричність кубічного об'єму, а завершення храму і декор фасадів вирішені в давньоруському стилі. Тут відчувається вплив традицій російського "узорочья" і початкові форми наришкинськоє бароко. Перспективні портали, багатолопатеву навершя лиштв – всі ці деталі робили будівля храму ошатним з рисами декоративності. Наприклад, на стіні південного фасаду можна побачити чотири типи наверший наличників. Відомо, що спочатку глави храму були цибулинними, але в 1726 році вони були замінені на більш складні з перехопленнями у підстави типу українських.

Інтер'єр Софиского собору типовий для великого чотиристовпного храму. Первісно собор всередині не був розписаний, але вже незабаром стіни храму були покриті фресками. За деякими даними їх автором був знаменитий живописець Роман Микитин, засланий з братом в Тобольськ після смерті Петра I. У середині 19 ст. фрески були закриті олійним живописом, але незабаром було прийнято рішення по реставрації фрескового розпису.

Справжнім зразком давнього прикладного мистецтва є двері головного входу в храм, облицьовані металевими фільонками. На цих фільонках представлені диво-звірі і диво-птиці.

З південного боку до Софійського собору прибудовано в 1790-х роках будівля соборної ризниці.