Особую историческую роль Вологда приобрела при Иване Грозном. Царь несколько раз посещал город, включив его как "особый государев удел" в опричнину. Согласно преданию, он намеревался устроить в Вологде вторую резиденцию - подальше от ненавистных ему бояр, татарских набегов, "моровых поветрий". В Вологде стали хранить часть "государевой казны", сюда царь свозил к весне "всякие запасы".
В 1565 году Иван Грозный повелел возвести в Вологде сильную каменную крепость на возвышенном, стратегически выгодном месте у впадения в реку Вологду речки Золотухи. Почти одновременно начали строить величавый каменный Софийский собор и царский деревянный дворец с церковью. В соборе (1568-1570), созданном по образцу Успенского собора Московского Кремля, воплотилась идея "Москва - третий Рим", получившая в то время широкое признание. Храм назвали в честь Софии - Премудрости Божией, как и главный константинопольский собор. Однако строитель-вологжанин упростил формы московского прообраза.
Существует легенда, согласно которой во время осмотра строящегося Софийского собора — в 1571 году — царь зашел внутрь. В этот момент сверху царю на голову упал какой-то крупный и тяжёлый объект — из летописей не совсем ясно, что именно, но, скорее всего, либо кирпич (плинфа), либо фрагмент штукатурки. Мнительный Иван Грозный воспринял это как дурной знак («знамение») от Бога, разгневался, приказал прекратить строительство, Вологду делать новой столицей России передумал, опричнину отменил, покинул город и больше никогда в него не возвращался.
Софийский собор оставался недостроенным и не освященным до самой смерти Ивана Грозного.