Der Bau des Wologdaer Kremls begann zu Regierungszeiten des Zaren Iwan des Schrecklichen, der die Stadt zur nördlichen Festung ausbauen wollte. In den Jahren 1568 bis 1570 wurde hier die steinerne Sophienkathedrale mit fünf Kuppeln errichtet, eine Replik der Mariä-Entschlafens-Kathedrale im Moskauer Kreml. Aber wegen der plötzlichen Abreise des Zaren wurde sein Plan, in Wologda einen Kreml zu erbauen, der größer als der Moskauer Kreml wäre, nie verwirklicht.
Im Wologdaer Kreml des 16. Jahrhunderts war nur die Sophienkathedrale aus Stein gebaut. Alle anderen Bauwerke waren bis zur Mitte des 17. Jahrhunderts aus Holz. Sogar der Zarenpalast mit der Joachim-und-Anna-Kirche wurde aus Holz errichtet. Dann aber wurde hier Hausverwalter-Gebäude (russisch: Ekonomski korpus) aus Stein gebaut, mit Kellern, Schatzraum und Gemächer für Empfänge. Aus Stein wurde auch der oktogonale Glockenturm mit einem Zeltdach errichtet, seine 25 Glocken stammen aus dem 17. bis 19. Jahrhundert. Der Glockenturm ist auch dank der alten Harfenuhr interessant: diese Hauptuhr der Stadt wurde 1871 aus Moskau hierher gebracht.
Im Inneren der Sophienkathedrale kann man heute die erhaltenen Fresken aus dem 17. Jahrhundert bewundern, die der Meister Plechanow aus Jaroslawl schuf und die Mitte des19. Jahrhunderts restauriert wurden. Nach dem Wunsch Iwans des Schrecklichen ist die Ikonostase der Sophienkathedrale nach Nordosten gekehrt, obwohl die Grundregeln der russischen Baukunst besagen, dass sich Ikonostasen an der Ostwand befinden sollen. Ein weiteres wichtiges Detail der Kathedrale ist ihre fünfstöckige, geschnitzte und vergoldete barocke Ikonostase aus der Mitte des 18. Jahrhunderts.
Der Wologdaer Kreml veränderte und entwickelte sich mit der Zeit. So wurde im 18. Jahrhundert an der Stelle des südöstlichen Turmes die Auferstehungskathedrale errichtet, seit 1950 befindet sich dort die Gemäldegalerie der Oblast Wologda. 1923 wurde die Kathedrale dem Museum übergeben. Im Simonowski-Gebäude aus dem 17. Jahrhundert, wo sich früher Privatgemächer des Erzbischofs und die prunkvolle Kreuzkammer befanden, werden heute Dioramen mit typischen für diese Gegend Tieren ausgestellt sowie historische Artefakte des Wologdaer staatlichen Museums für Geschichte, Architektur und Kunst. Auf dem Dach des Gawriilowski-Gebäudes kann man das Symbol des Museums sehen: den goldenen Löwen mit Zepter als Windfahne. Die prunkvollste Innenausstattung blieb in den barocken Gemächern von Joseph Solotoi aus der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts erhalten.