Дата постройки последнего здания: 1568-1570   см. фотографии объектов той же эпохи

Кирпичный шестистолпный пятиглавый собор, образец московского соборного зодчества XVI в. Строился с 1568 по распоряжению царя Ивана Грозного, в целом выстроен в 1568-1570, но в 1571 отделка приостановлена. Предтеченский престол в южной апсиде был освящен в 1587 (упразднен в 1848), главный храм освящен позже, в 1644 в северной апсиде устроен придел Феодора Стратилата (в XIX в. упразднен). Собор неоднократно ремонтировался, но избежал серьезных перестроек, в 1960-х отреставрирован в первоначальных формах. Отдельно стоящая столпообразная колокольня 1654-1659, имевшая шатровое завершение, в 1869-1870 надстроена в стиле эклектики и увенчана луковичной главой. В соборе уцелели росписи 1686-1688 и иконостас кон. 1730-х. Закрыт в 1924, передан в ведение музея. В настоящее открыт для посещения в летнее время, колокольня служит смотровой площадкой. По большим праздникам проводятся богослужения.

В XVII - нач. XX вв. собор служил главным храмом Вологодской епархии и усыпальницей вологодских архиереев. До нач. XXI в. в соборе под спудом хранились мощи св. Антония Вологодского (+1587).