Katedral ini dinamakan sempena katedral Aya Sofia (Kebijaksanaan Suci) dari abad ke-6 di Konstantinopel (kini Istanbul), yang didedikasikan untuk Kebijaksanaan Suci, personifikasi ilmu falsafah dan agama dan bukan seseorang suci bernama Sofia. Pembinaannya dimulakan pada tahun 1037 atau 1011[5] dan mengambil masa 20 tahun untuk disiapkan. Menurut satu teori, Yaroslav yang Bijaksana menaja pembinaan Katedral Santa Sofia pada tahun 1037 untuk meraikan kemenangannya melawan bangsa Pecheneg pada tahun 1036 (yang selepas itu tidak pernah mengancam Kyiv lagi).[6] Menurut Dr. Nadia Nikitenko, seorang ahli sejarah yang telah mengkaji katedral ini selama 30 tahun, ia diasaskan pada 1011 semasa pemerintahan bapa Yaroslav, Penguasa Besar Rus Kiev, Vladimir Agung. UNESCO dan Ukraine menerima perkara ini, dan Ukraine telah meraikan ulang tahun ke-1000 katedral ini pada tahun 2011.[7] Ia mempunyai 5 ruang ibu, 5 apsis dan 13 kupola, yang ganjil dalam seni bina Byzantium). Ia dikelilingi galeri bertingkat berganda di tiga sisinya. Dengan ukuran 37 hingga 55 m (121 hingga 180 ka), bahagian luarnya dahulu mempunyai ketapak. Di bahagian dalam, terdapat mozek-mozek dan fresko dari abad ke-11, termasuk gambaran keluarga Yaroslav, dan Orans.

Pada asalnya, Katedral Santa Sofia merupakan makam penguasa-penguasa Kiev seperti Vladimir Monomakh, Vsevolod Yaroslavich dan pengasas katedral ini Yaroslav I yang Bijaksana, tetapi hanya kubur Yaroslav sahaja yang masih terpelihara pada hari ini (lihat gambar).

Selepas Kyiv dijarah oleh Andrei Bogolyubsky dari Vladimir-Suzdal pada tahun 1169, dan Rus diceroboh Mongol pada tahun 1240, katedral mula terbengkalai. Ia telah dibina semula pada abad ke-16 semasa Komanwel Poland-Lithuania cuba menyatukan gereja Katolik dan Ortodoks. Berikutan Kesatuan Brest 1595-96, Katedral Sofia Suci menjadi milik Gereja Katolik Yunani Ukraine yang menugaskan kerja-kerja pembaikan dan pembinaan semula bahagian atas bangunan itu kepada arkitek Itali Octaviano Mancini dalam gaya Barok Ukraine, sambil mengekalkan bahagian dalaman Byzantiumnya yang indah. Kerja-kerja diteruskan di bawah pimpinan Kozak Hetman Ivan Mazepa sehingga tahun 1767. Pada masa ini, sebuah menara loceng, kantin biara, kedai roti, "Rumah Metropolitan", pintu barat (pintu Zborovski), rumah penginapan, kampus keikhwanan dan bursa (seminari) dibina di sekitar Katedral Sofia Suci. Semua bangunan ini, termasuk katedral, mempunyai ciri-ciri Barok Ukraine yang tersendiri.

Selepas Revolusi Oktober 1917 di Rusia dan semasa kempen antiagama Soviet pada tahun 1920-an, kerajaan ingin katedral ini dimusnahkan dan mengubah kawasannya menjadi taman "Wira-wira Perekop" untuk memperingati kemenangan Tentera Merah dalam Perang Saudara Rusia di Krimea). Katedral ini diselamatkan daripada diroboh[8] (Biara Kubah Emas St. Michael yang bertentangan dengannya diletupkan pada tahun 1935[8]) dengan usaha ramai saintis dan ahli sejarah. Namun begitu, pada tahun 1934, pihak berkuasa Soviet mengambil alih katedral daripada pihak gereja dan menukarkannya kepada muzium seni bina dan sejarah, bersama-sama binaan-binaan di sekelilingnya dari abad ke-17 dan 18.

Sejak akhir 1980-an, ahli politik Soviet, dan kemudiannya Ukraine, berjanji akan mengembalikan katedral ini kepada Gereja Ortodoks. Namun, kerana pertikaian dalam Gereja, pemulangannya ditangguhkan. Gereja Ortodoks dan Yunani-Katolik berdua-dua menuntut pemilikannya. Walaupun semua gereja Ortodoks dibenarkan kadangkala untuk sembahyang berjemaah di sana, kadangkala mereka juga dilarang masuk. Pada tahun 1995, insiden teruk berlaku semasa pengebumian Patriark Volodymyr dari Gereja Ortodoks Ukraine, apabila pihak polis rusuhan terpaksa menghalang pengebumian beliau di muzium itu dan pergaduhan berdarah tercetus.[9][10][11] Sejak itu, belum ada badan agama yang diizinkan bersembahyang jemaah secara tetap di situ. Kompleks itu kini muzium tentang agama Kristian di Ukraine, kebanyakan pengunjungnya pelancong.

Pada 21 Ogos 2007, Katedral Sofia Suci dinamakan sebagai salah satu daripada Tujuh Keajaiban Ukraine, berdasarkan undian oleh pakar dan wargamaya.

Pada September 2023, Kyiv telah disenaraikan sebagai Warisan Dunia yang "dalam bahaya" kerana perang Rusia di Ukraine. Pertubuhan Bangsa-Bangsa Bersatu melakukannya untuk dapat mengusahakan bantuan dan perlindungan kepada tapak tersebut.[12]