W książęcym okresie historii miasta, na placu przed katedrą odbywały się „wiecze” - proto-demokratyczna tradycja uzgadniania decyzji politycznych ze społecznością miasta. W katedrze znajdowało się skryptorium i legendarna biblioteka połocka. Co najmniej do końca XV w. sobór św. Zofii był symbolem, o czym świadczy napis na miejskiej pieczęci: „Pieczęć Połocka i św. Zofii”.

Wczesna historia katedry

Sobór św. Zofii został zbudowany w połowie XI w. przez mistrzów bizantyjskich. Na wschodzie Europy Połock stał się trzecim miastem po Kijowie i Nowogrodzie, które posiadało własną katedrę św. Zofii (Mądrości Bożej), wzorem Konstantynopola. Od chwili uzyskania w 1411 r. przez eparchię połocką statusu archieparchii (arcybiskupstwa) do 1596 r. połocka św. Zofia pełniła funkcję soboru katedralnego prawosławnych arcybiskupów.

W 1563 r. Połock został zdobyty przez wojska cara moskiewskiego Iwana IV Groźnego i znajdował się pod okupacją aż do wyzwolenia przez Stefana Batorego w 1579 r. W wyniku wojny litewsko-moskiewskiej (1558-1570) sobór został poważnie uszkodzony i stał w ruinie aż do początku XVII stulecia.

Pierwsza unicka przebudowa katedry

Po zawarciu unii brzeskiej w 1596 r., archieparchia połocka stała się unicką (uznającą zwierzchność Rzymu). W 1618 r. młody władyka (biskup) Jozafat Kuncewicz (ok. 1580-1623) rozpoczął renowację głównej katedry arcybiskupstwa połockiego. Do nadzorowania prac zaprosił Andreasa Kromera, którego kronikarze nazywają „mistrzem murarzem narodowości niemieckiej wiary rusińskiej”.

Była to pierwsza programowa budowla młodego Kościoła unickiego, więc murator miał za zadanie wcielić w architekturę katedry ideę „jedności z Kościołem rzymskim”. Cztery wieże zostały zniszczone, centralna kopuła - podniesiona, ołtarz został przeniesiony na północ, a główna fasada została zbudowana od strony południowej. W wyniku prac budowlanych zakończonych do 1620 r., plan katedry upodobnił się do renesansowych kościołów z włoskich traktatów architektonicznych z XVI w.

Druga unicka przebudowa katedry

Podczas trzeciej (wielkiej) wojny północnej (1700-1721) w katedrze doszło do tragedii. Rosyjski car Piotr I, który żywił szczególną niechęć do unitów, wszedł w konflikt z zakonnikami bazyliańskimi, w wyniku którego kilku mnichów zostało zabitych tuż przy ołtarzu. Z rozkazu cara w katedrze urządzono magazyn wojskowy, a w maju 1710 r., w dniu opuszczenia Połocka przez rosyjski garnizon, świątynia została wysadzona w powietrze i przez kolejną ćwierć stulecia leżała w gruzach.

Dopiero w 1738 r., z inicjatywy arcybiskupa Floriana Hrebnickiego (1683-1762), rozpoczęto prace konserwatorskie, które zakończono w 1750 r. W 1720 r. hierarcha ten był uczestnikiem synodu zamojskiego, który podjął decyzję o latynizacji kościoła unickiego.

Odnowiona przez Hrebnickiego archikatedra jest dobrą ilustracją procesów latynizacji architektury unickiej w XVIII w. Do katedry, od strony południowej, dobudowano nową fasadę główną, a ściany nowej świątyni obejmowały te części katedry Kuncewicza, które przetrwały eksplozję. W wyniku rekonstrukcji katedra nabrała cech stylistycznych późnobarokowej architektury nurtu tzw. baroku wileńskiego.

Sobór w czasach imperium rosyjskiego

W 1839 r. w katedrze św. Zofii miał miejsce akt likwidacji unii brzeskiej, po którym sobór został przekazany administracji prawosławnej. W następnym roku świątynia straciła status archikatedry, wkrótce została przekształcona w cerkiew pomocniczą, w której nabożeństwa odbywały się tylko kilka razy w roku. W latach 1846-1851 katedra została poddana renowacji, której głównym celem było oczyszczenie architektury i dekoracji z detali unickich. W rezultacie wszystkie barokowe rzeźby i płaskorzeźby na głównej fasadzie i we wnętrzu zostały zniszczone.

„Archeologiczna” konserwacja katedry (1912-1914)

Pod koniec XIX w. rozwój archeologii doprowadził do wzrostu zainteresowania pozostałościami pierwotnej, jedenastowiecznej katedry św. Zofii. Pojawił się pomysł zniszczenia barokowej świątyni w celu przywrócenia jej bizantyjskiego wyglądu.

Z inicjatywy mieszkańców Połocka zainicjowano w lokalnych i ogólnokrajowych gazetach dyskusję na temat celów i metod remontu katedry św. Zofii. W wyniku tej akcji postanowiono zachować barokową architekturę soboru w niezmienionym stanie. W latach 1912-1914 w świątyni przeprowadzone zostały prace remontowe, z udziałem najlepszych przedstawicieli rosyjskiej archeologicznej szkoły konserwatorskiej. Ich wynikiem było zachowanie soboru św. Zofii nie tylko jako zabytku archeologicznego, lecz także jako wybitnego przykładu wileńskiej architektury barokowej.

Katedra współcześnie

W czasach sowieckiej Białorusi, w 1924 r., połocki sobór św. Zofii został zamknięty dla kultu, a budynek stał się siedzibą lokalnego muzeum krajoznawczego. Do funkcji kultowych obiekt został na krótko przywrócony w latach 1942-1944.

Od 1969 r. w katedrze prowadzone są badania archeologiczne i prace konserwatorskie. W 1983 r. w soborze otwarto salę koncertową muzyki kameralnej i organowej, w której odbywa się Międzynarodowy Festiwal Muzyki Organowej. Od 1987 r. w budynku funkcjonuje Muzeum Historii Architektury Soboru św. Zofii, w którym eksponowane są fragmenty murów i fresków z XI stulecia.