Вологодский Софийский собор обладал не только статусом кафедрального храма, но и мемориальной функцией, обусловленной упокоением в его стенах вологодских архиереев. Начало традиции было положено уже в XVI веке освятившим собор епископом Антонием. Он приказал перенести в Софийский собор из деревянной Воскресенской соборной церкви, что стояла в Вологде у старого архиерейского двора на Ленивом торгу, гроб с телом одного из своих предшественников – епископа Пермского и Вологодского Киприана. Киприан был торжественно перезахоронен внутри собора, у северной стены, рядом с северным входом. Вторым погребенным здесь архиереем (18 ноября 1587 года) стал скончавшийся вскоре сам святитель Антоний, почитающийся как местный святой, высоко чтимый в Вологде и ныне.

К середине XIX века в храме было двенадцать архиерейских захоронений. Захоронения производились в перекрытых цилиндрическим сводом кирпичных склепах, размещенных вдоль северной и южной стен ниже уровня пола. Внутри собора над склепами были устроены деревянные надгробия-раки.

Вдоль северной стены собора (с востока на запад) были погребены:

Киприан, епископ Пермский и Вологодский (1547–1558, перезахоронен в 1587 году);

Святитель Антоний, епископ Вологодский и Великопермский (правил в 1585–1587 годах, скончался 26 октября 1587 года);

Иоасаф II, архиепископ Вологодский и Великопермский (правил в 1603–1609 годах, скончался 3 июня 1609 года);

Корнилий, архиепископ Вологодский и Великопермский (правил в 1620–1625 годах, скончался 17 марта 1625 года);

Нектарий, архиепископ Вологодский и Великопермский (правил в 1613–1617, 1625–1626 годах, скончался 3 июня 1626 года), похоронен на левой стороне последним.

Вдоль южной стены собора (с востока на запад) погребены:

Гавриил (Кичигин), архиепископ Вологодский и Белозерский (правил в 1685–1707 годах, скончался 30 марта 1707 года);

Павел, епископ Вологодский и Белозерский (правил в 1716–1725 годах);

Пимен II (Савелов), епископ Вологодский и Белозерский (правил в 1740–1753 годах, скончался 26 мая 1753 года);

Серапион (Лятушевич), епископ Вологодский и Белозерский (правил в 1753–1761 годах, скончался 22 апреля 1762 года);

Иосиф II (Золотой), епископ Вологодский и Белозерский (правил в 1761–1774 годах, скончался 25 декабря 1774 года);

Ириней (Братанович), епископ Вологодский и Белозерский, с 1788 года – епископ Вологодский и Устюжский (правил в 1775–1796 годах, скончался 23 апреля 1796 года);

Арсений (Тодорский), епископ Вологодский и Устюжский (правил в 1796–1802 годах, скончался 15 июня 1802 года).

На протяжении пяти столетий надгробия получали разное оформление. Пышнее других была украшена рака святителя Антония, особо почитаемого вологжанами. Известно, что в 1744 году на семи архиерейских гробницах стояло 19 икон разной величины и степени убранства, при этом 12 икон находилось именно на гробнице епископа Антония. При правлении епископа Евгения (Болховитинова, 1808–1813) на надгробиях были помещены железные черные таблички, на которых белой краской были написаны пространные эпитафии.

После закрытия собора в 1924 году надгробия демонтировали. Полуразрушенные склепы были археологически исследованы и частично восстановлены в 1980 году. В ходе реставрации собора в 2000–2007 годах были расчищены от земли и восстановлены своды склепов, устроен новый пол и на нем установлены существующие надгробия. Сегодня в соборе покоятся 11 архиереев: 26 сентября 1998 года обретенные по благословению Святейшего Патриарха Московского и всея Руси Алексия II мощи святителя Антония были торжественно перенесены из собора в вологодский храм Святителя Николая во Владычной слободе.