Расположен на самом высоком берегу Западной Двины. Современник соборов Киева и Новгорода. Храм возводился в середине XI в. Для строительства собора полоцкий князь Всеслав Брячиславич пригласил из разных стран профессиональных зодчих.

Храм имел в объеме форму куба. Венчали его семь шлемовидных куполов. Снаружи он был неоштукатуренным. Хорошо была видна кладка с утопленным рядом. В ней присутствовали и бутовые камни. Внутренний объем храма был разделен 16-ю колоннами на 5 нефов.

Фрагменты древней кладки Софийского собора открыты в зондажах западной и восточной стен, которые сохранились с середины XI в. Софийский собор был поставлен на мощный фундамент, который сохранился до наших дней. Фундамент, алтарные апсиды и фрагменты фресок XI в. можно увидеть сегодня в Музее, который рассказывает об истории архитектуры Софийского собора.

Вместе с городом храм пережил много драматических событий, разрушений и пожаров, множество значительных перестроек. После последней из них собор стал представлять собой трехнефную одноапсидную базилику, ориентированную на север. С южной стороны на высоту 57 м поднялись две симметричные башни.

Собор получил и новое решение интерьера. Кроме арочных колонн появилось много лепных украшений, фигурные карнизы и несколько непривычная цветовая гамма. Алтарная часть храма была отделена от центрального нефа трехъярусной преградой, к которой на своде примыкало барельефное изображение Троицы Новозаветной.

От росписей на алтарной преграде сохранились копия известной фрески Леонардо да Винчи «Тайная вечеря» и «Спас Нерукотворный». В 1983 г. в Софийском соборе был открыт концертный зал камерной музыки. Первым музыкальным событием было исполнение ансамблем «Кантабиле» произведений из «Полацкага сшытка» (XVI в.).