Замысел соорудить в Киеве «церковь святой Софии, митрополию», по свидетельству митрополита Илариона, принадлежал еще Владимиру Святославичу, но осуществить его довелось уже Ярославу Мудрому. Дата основания собора свыше полутора столетий является предметом научной дискуссии. Учитывая все исторические обстоятельства, наиболее вероятными годами строительства следует считать 1032—1037 годы — ровно через 500 лет после Софии Константинопольской, которая была символическим образцом для киевского храма.
Согласно древней церковной традиции, Софию Киевскую заложил митрополит Иоанн, а освятил его преемник Феопемпт. Неизвестные зодчие были представителями столичной константинопольской школы архитектуры. Храм посвящен Софии — Премудрости Божьей. Это одна из сложнейших абстрактных категорий христианского богословия, имеющая много толкований. По апостолу Павлу, Софии символически отвечает ипостась Христа — воплощенного Слова Божьего. Лишь позднее, когда распространилось отождествление Софии с Божьей Матерью, храмовый праздник киевского собора перенесли на 8 сентября — день Рождества Богородицы. Художественный образ Софийского собора должен был воплотить многогранный смысл, вложенный в этот символ. Этим объясняются его грандиозные размеры и чрезвычайно усложненная структура. Вообще, интерьер Софии воспроизводит средневековую модель Вселенной, а внешний вид — образ Града Божьего — Небесного Иерусалима.
Подобно другим храмам, София была местом захоронения выдающихся личностей, преимущественно состоятельных. Некрополь Софийского собора начал складываться с середины XI века. Основатель храма еще при жизни повелел оборудовать для себя усыпальницу в северной галерее. Саркофаг Ярослава Мудрого доныне сохраняется в соборе. По летописи, в Софии известны еще четыре захоронения князей — потомков Ярослава, а также захоронения многих киевских митрополитов.
В домонгольское время Софийский собор был дважды разграблен. Впервые это сделали войска Андрея Боголюбского и его союзников в 1169 году, а во второй раз — дружины Рюрика Ростиславича в 1203 году. Храм также пострадал от большого пожара 1180 года.
Наибольший урон София и Софийское подворье понесли во время монгольского нашествия 1240 года, а также татарских набегов 1416 и 1482 годов. Однако храм не был разрушен и продолжал действовать. Уже в 1273 году митрополит Кирилл созвал здесь поместный собор Русской церкви. И хотя после 1300 года киевские митрополиты все реже посещали свою опустошенную резиденцию, определенные реставрационные работы время от времени проводились. В частности, в 1376—1378 годах ремонт Софии осуществил митрополит Киприан, а около 1577 года — наместник митрополита Богуш Гулькевич-Глебовский.
Несмотря на эти усилия, храм постепенно приходил в упадок. Это происходило преимущественно из-за равнодушия и корыстолюбия чиновников митрополита. В конце XVI века св. София представляла собой настолько печальное зрелище, что это вызвало возмущение даже у католического епископа Иосифа Верещинского. В 1608 году Софийским собором завладели униаты, продолжившие хищения на продажу строительных материалов, в частности кровли. Остальное довершили дожди и ветры.
2 июля 1633 года новоизбранный православный митрополит Петр Могила освободил Софийский собор из-под власти униатов и основал при нем монастырь. Капитальная реставрация храма начата в 1634 году, но при жизни Могилы она так и не была завершена. В частности, западная галерея оставалась полуразрушенной. В 1637—1638 годах работами руководил архитектор-итальянец Октавиано Манчини. Очевидно, именно он придал фасадам собора ренессансный характер, известный нам по рисунку Абрагама ван Вестерфельда 1651 года. В это же время сооружен новый резной иконостас и два придела алтаря в наружных галереях.
С 1688 года митрополит Гедеон Святополк-Четвертинский на пожертвования московских царей начал новую, более значительную по объему, перестройку св.Софии. В это время были сооружены вторые этажи над наружными галереями, шесть новых куполов и восемь фронтонов в стиле барокко, скрывшие за собой первоначальные малые купола. Работами руководил подмастерье каменных дел Савва Яковлев. Они были завершены к 1695 году, о чем свидетельствует изображение на плане Ушакова.
Только что отстроенный собор был сильно поврежден пожаром 1697 года и нуждался в новой реставрации. В 1699—1706 годах ее осуществил митрополит Варлаам Ясинский на средства гетмана Ивана Мазепы. Именно в это время были забелены древние мозаики и фрески, разобраны остатки западной галереи и западная тройная аркада с частью хоров, здание со всех сторон укреплено мощными контрфорсами.
В 1718—1724 годах выполнена новая барочная стенопись, в 1739—1747 годах митрополит Рафаил Заборовский осуществил очередную реставрацию собора, а в 1747—1754 годах сооружен трехъярусный иконостас, нижний ярус которого сохранился доныне. В начале XIX века собор имел 17 престолов.
Начало научному изучению Софии Киевской положила книга митрополита Евгения Болховитинова «Описание Киево-Софийского собора», изданная в 1825 году Однако настоящей сенсацией стало случайное открытие древних фресок в 1843 году. На протяжении 1843—1853 годов, одновременно с варварским «обновлением» стенописи, архитектор Павел Спарро осуществлял основательный ремонт храма, во время которого заменена крыша, пол вымощен чугунными плитами и снят верхний ярус иконостаса, мешавший видеть мозаики алтаря.
Во время последней реконструкции, проведенной в 1882—1889 годах под руководством Владимира Николаева, разобрана часть барочных фронтонов и открыты древние малые купола. Растесано крестообразное окно в центре западного фасада, а на месте западной галереи сооружен ныне существующий нартекс в неовизантийском стиле. Тогда же под полом собора утроены каналы калориферного отопления и снят еще один ярус иконостаса.
В октябре 1921 года в Софийском храме состоялся собор, на котором объявлено создании Украинской Автокефальной Православной Церкви. Святая София принадлежала УАПЦ до ее ликвидации в 1930 году. В 1934 году в соборе прекращена служба Божья и образован Государственный архитектурно-исторический заповедник «Софийский музей». Деятельность заповедника началась с вандализма: на протяжении 1935—1937 годов разобраны и большей частью сожжены восемь барочных иконостасов боковых алтарей работы украинских мастеров XVII—XVIII веков. Исчезли также серебряные позолоченные царские врата 1747 года из главного иконостаса. Вместе с тем, создание заповедника впервые позволило проводить исследования и реставрации памятника на действительно научной базе.
По свидетельству бывшего заведующего Софийского заповедника Алексея Повстенко, в сентябре 1941 года советские военные предприняли попытку заминировать храм, но она, к счастью, оказалась неудачной. В послевоенные годы Софийский собор регулярно реставрируется и исследуется. В его помещениях поддерживается микроклимат, благоприятный для сохранения бесценных произведений средневекового искусства.
В 1990 году Софийский собор, как и Киево-Печерская лавра, стал первым внесённым в список Всемирного наследия ЮНЕСКО памятником архитектуры на территории Украины.
