Первая деревянная колокольня Софийского собора была построена в конце XVI века и сгорела во время польско-шведской интервенции 22 сентября 1612 года. Новая деревянная была построена в 1620-х годах. Согласно писцовой книге 1627 года, она была восьмиугольной, с шатровым верхом, крытым «чешуей», с «двои полати», тремя лестницами, часами, одиннадцатью колоколами. Эта колокольня сгорела в 1636 году. На её месте в 1642 году построили очередную деревянную.
В 1654—1659 годах деревянную колокольню заменили каменной. Она представляла собой восьмиугольное столпообразное сооружение с шатровым каменным верхом, увенчанным небольшой главкой. При строительстве применялся камень, сохранившийся от постройки кремля Ивана Грозного. На 1863 год насчитывалось 14 колоколов, кроме того колокольня имела часы. О прежней колокольне Софийского собора можно судить по сохранившейся колокольне Владимирских церквей, которая была построена по образу Софийской.
В 1860-х годах при епископе Вологодском Палладии шатровый верх и звон колокольни были сняты. В 1869—1870 годах на сохранившемся нижнем ярусе, высотой около 17 метров, по проекту архитектора В. Н. Шильдкнехта была построена более высокая колокольня в псевдоготическом стиле. С этого времени колокольня имеет высоту 78,5 метров, на 32 метра выше предшествующей, и считается самой высокой в Вологодской епархии. В верхнем ярусе колокольни имеется смотровая площадка. Колокольню венчает позолоченный купол с крестом.
На Софийской колокольне установлены колокола работы голландских, русских и немецких мастеров XVII, XVIII и XIX веков. Среди колоколов XVII века, старейший «Часовой», «Великопостный», «Водовоз», «Малая лебедь», богато украшенный «травами», вязью летописи и клеймами с изображениями святых, из упразднённого Николаевского Озерского монастыря, 1656 год, «Большой» или «Праздничный», весом около 7580 кг, отлит в Любеке в 1687 году, «Большая лебедь» и «Архангельский». Колокол «Большая лебедь» отлит И. Ф. Моториным, создавшим знаменитый Царь-колокол.
Всего в 1701 году на колокольне насчитывалось 22 колокола. В декабре 1871 года на колокольне установили новые часы с четырьмя перечастными колоколами. Когда в 1701 году по всей России описывались колокола для изъятия четвёртой части «колоколенной меди» на военные нужды, вместо софийских колоколов в Москву были отправлены 2 битых колокола, много меди разных сортов и олова. В благодарность от Петра I вологжане получили грамоту, а в 1702 году — 2 колокола в подарок, один из которых — моторинская «Большая лебедь». Всего на новой колокольне висело 26 колоколов. Все они, за исключением самого маленького, сохранились до наших дней. Колокола Софийского собора вновь используются с 1989 года.
