Собор був збудований у 1017-1031 роках на честь перемоги князя Ярослава Мудрого над кочовим племенем печенігівОднак у наступні століття собор багато разів перебудовувався. Він отримав назву на честь собору Айя-Софія у Константинополі.
Собор Святий Софії Головний храм заповідника присвячений «премудрості Божої» – святий Софії. Існують аж три версії виникнення храму. Так, у «Повісті минулих літ» зазначено, що собор був зведений у 1037 році за Ярослава Мудрого.
Символ незалежності та могутності Полоцького князівства, храм немов уособлював білий корабель, що плив по Двіні. Побудований за візантійськими канонами, але в традиціях полоцької архітектури, храм розташовувався у Верхньому замку між хоромами князя та садибою єпископа, що говорило про роль церкви в державі.
Серед найвідоміших мозаїк собору виділяються Богородиця «Непорушна стіна» у склепінчастій частині головної вівтарної апсиди, а також Євхаристія та Отці Церкви. Велика площа зі стін та стельових склепінь, дозволяє бачити сцени Воскресіння, лики апостолів та різноманітні сюжети на біблійні теми.