הקתדרלה נבנתה במאה ה-11 בפקודת הנסיך ירוסלב הנבון ושמה ניתן לה בהשפעתה של איה סופיה, הקתדרלה של קונסטנטינופול. הכוונה הייתה להחליף את הכנסייה הראשונה של קייב שאת שרידיה ניתן לראות כעת במוזיאון ההיסטורי של העיר. ככל הנראה החלה בניית הקתדרלה בשנת 1037, והיא נבנתה מעץ על ידי בנאים מקונסטנטינופול בהשתתפותם של אמנים מקומיים.

בשנת 1240, במהלך כיבוש קייב על ידי המונגולים, נבזזה הקתדרלה ולא שוקמה משך כ-400 שנים, למרות שהמשיכה ותיפקדה ככנסייה. בשנת 1596 הועברה הקתדרלה לרשות הכנסייה האוקראינית האוניאטית, אך באמצע המאה ה-17 היא הושבה לכנסייה האורתודוקסית. הקתדרלה נבנתה שוב ב-1633 אך נשרפה ב-1697. עבודות השיקום החלו בשנת 1699 ונמשכו עד לשנת 1740, ובמהלכן נבנה המבנה מאבן ומראהו החיצוני הותאם לסגנון הבארוק אוקראיני.

במהלך המאה ה-18 נבנו לצידה של הקתדרלה מגדל פעמונים (1699-1706), בניין המיטרופוליט, חדר-אוכל (1722-1730), השער המערבי, המגדל בכניסה הדרומית ובניין המכללה. כל המתחם הוקף בחומת אבן טיפוסית לסגנון הבארוק האוקראיני. החל ב-1882 המשיכו עבודות הבנייה באתר שכללו תוספת בצידו המערבי של הנארתקס וחידוש ציורי הקיר והפסיפסים.

בשנת 1934 הוכרז מכלול המבנים הכולל את הקתדרלה כשמורה האדריכלית-ההיסטורית "מוזיאון סופיה", וניצל מההרס הרב שפקד את העיר במלחמת העולם השנייה, בין סוף 1941 לסוף 1943. עם פירוק ברית המועצות ב-1991 הוסכם כי ראוי להשיב את הקתדרלה לרשותה של הכנסייה, אך הדבר טרם יצא לפועל בשל אי-הסכמה בין הכנסייה האורתודוקסית הרוסית לבין הכנסייה האוקראינית האוטוקופלית, שביקשה להתנתק ממוסקבה, על השליטה במתחם. עם איחודה של הכנסייה האורתודוקסית האוקראינית ב-2018 וניתוקה ממוסקבה, הפכה הקתדרלה לאחד משני מושבי הפטריארך של קייב ואוקראינה, לצד קתדרלת ולדימיר הקדוש.