Особое значение для всей русской истории имел заложенный 30 июля 1782 года в присутствии Екатерины II Софийский Вознесенский собор. Именно в это время в результате длительных войн пал Константинополь, турки захватили и превратили в мечеть одну из главных святынь православного мира Софию Константинопольскую. Весь христианский мир был потрясен совершившимся кощунством. А Екатерина II, всю свою жизнь мечтавшая вернуть Константинополь православным (в какое-то время победы Потемкина сделали эту мечту близкой к осуществлению), решила - до тех пор, пока святыня находится в руках мусульман, заменить ее, воздвигнув Софийский храм в новом городке близ Царского Села.

В 1780 г. в непосредственной близости от Царского Села был основан новый город - София, который на короткое время стал уездным городом Санкт-Петербургской губернии. Однако привлечь жителей в новый город оказалось нелегко. Екатерина II запретила постройку домов в Царскосельской слободе, пока не будут разобраны все участки в Софии. Закладка нового собора тоже должна была стимулировать заселение нового города.

Большой пятикупольный каменный собор построен в 1782 – 1789 годах. Его строительство начато по проекту Ч. Камерона и завершено им совместно с И. Е. Старовым. Архитекторы использовали для создания храма господствовавший тогда в России и в Европе стиль классицизм. Они не следовали классическим канонам слепо, но создавали как бы синтез традиционных для классики форм и пропорций с русскими канонами. Внушительное здание собора является ценным памятником архитектуры строгого классицизма. Основной массив квадратного в плане Софийского собора, увенчанного пятью куполами на невысоких цилиндрических барабанах, усложнен четырьмя выступами - портиками дорического ордера. Дорические колонны без каннелюр несут антаблемент с триглифами и треугольные фронтоны. Плоскости стен собора обработаны неглубокими нишами с полуциркульными завершениями, прорезанными высокими прямоугольными оконными проемами.

Монументальные четырехколонные портики перекрытые фронтонами, придают храму торжественный, парадный облик. Это впечатление усиливают пять куполов, высившиеся на круглых барабанах и имеющие плоские завершения. Силуэт центрального купола напоминает купол Таврического дворца, но кроме обычного барабана под ним еще один - более широкий, на первый взгляд непонятного назначения. Центральный купол в соборе сделан двойным, внутри его устроен второй, меньший, похожий на купол Софийского собора в Константинополе. Этот купол и поддерживает второй, более широкий, барабан.

В храме ощущается прежде всего не строгая геометричность и холодная правильность, а величие устремленности вверх и державная мощь. Совершенно белая снаружи и внутри, лишь с золочеными иониками и базами красных гранитных колонн, София Царскосельская сверкает своей чистотой среди зелени и простых построек военного городка. Собор Вознесения Господня в Софии - одно из первых культовых зданий зрелого русского классицизма. Это простое, лаконичное и в то же время монументальное сооружение.

Столь же торжественно здание выглядит и внутри. В архитектурном оформлении интерьеров собора использованы пропорции ионического ордера. Своды поддерживают массивные пилоны с пилястрами, вытесанными из красных гранитных монолитов, к которым были приставлены восемь монолитных темных гранитных колонн. Капители колонн эрехтейонского типа.

Внутри стены собора прежде украшал простой орнамент, исполненный неизвестным мастером, оконные проемы обрамлены позолоченными орнаментальными тягами. Иконостасы всех трех приделов - святой Софии, Александра Невского, святых Константина и Елены - по цвету белые, с позолотой. Высокий многоярусный иконостас главного придела принадлежал к числу самых великолепных иконостасов храмов столицы и ее пригородов. Значительную художественную ценность представляли запрестольный образ Введения во храм Пресвятой Богородицы работы П. И. Соколова и картина "Явление Иисуса Христа Апостолу Фоме" кисти Г. И. Угрюмова. На стенах собора в золоченых деревянных рамах висели картины, изображающие земную жизнь Христа и Богоматери. Среди достопримечательностей собора было великолепное серебряное паникадило, подаренное Екатериной II и весившее более 85 килограммов. В 1903 году Николай II пожаловал собору крест и церковную утварь - точную копию утраченной, полученной в подарок от Екатерины II ко дню освящения собора.

Некогда собор являлся центром, архитектурной доминантой располагавшегося здесь образцового екатерининского городка София, построенного Камероном и соединившегося позже с Царским Селом. Храм был освящен в мае 1788 года в присутствии императрицы и всего двора. Его освятили во имя Вознесения Христова и во имя Святой Софии Премудрости Божией. С тех пор весь цвет России побывал под сводами великолепного храма. Здесь молились Пушкин и Лермонтов, Суворов и Кутузов, крупнейшие ученые, композиторы, художники, здесь побывали почти все знаменитые иноземцы, посещавшие Россию.

В 1817 году Софийский собор стал церковью лейб-гвардии Гусарского полка, одного из наиболее прославленных полков российской армии. В нем хранились георгиевские штандарты и награды, которых гусары были удостоены за боевые заслуги. На стенах размещались мраморные доски с именами погибших в сражениях офицеров полка. В западной части храма, у пилонов, были прикреплены знамена и значки, отбитые генералом Черняевым у кокандцев 22 сентября 1864 года.

В 1804 году был освящен придел во имя Великомученицы Екатерины (в 1850–1905 гг. – во имя святых Константина и Елены), а в 1850 году, после капитального ремонта храма, – придел во имя Святого Благоверного Князя Александра Невского. Тогда же при устройстве под собором подвалов для размещения в них печей так называемого амосовского отопления была найдена серебряная позолоченная закладная доска с вензелем императрицы и надписью "Чарльзъ Камеронъ - архитекторъ". Тогда же был извлечен из-под сводов подвала деревянный крест 1782 года, указывавший место, где должен был быть воздвигнут престол. Крест этот был помещен в алтаре одного из приделов.

Двухъярусная колокольня собора построена в саду, окружавшем собор, в 1903 – 1905 годах по проекту В. А. Покровского и Л. Н. Бенуа. В её нижнем ярусе была устроена небольшая церковь во имя Преподобного Серафима Саровского. Четкий силуэт колокольни хорошо вписался в панораму городской площади, усилил доминирующее значение собора.

В 1934 году собор был закрыт, его богатейшее внутреннее убранство расхищено, уникальный иконостас уничтожен, мемориальные доски сорваны и разбиты. Серьезный ущерб причинила зданию война. Последующие десятилетия довершили гибель интерьеров храма. В середине восьмидесятых годов, едва началась "оттепель", верующие Царского села, где в то время не осталось ни одной действующей церкви, решили обратиться к властям с просьбой о возвращении им Софии. В 1990 году полуразрушенное и изувеченное здание было возвращено православной церкви и на Вознесение 1989 года среди черных стен, под осыпающимися сводами в нем была отслужена первая служба. Сразу же началось восстановление храма. К 750-летию Невской битвы, 12 сентября 1990 года у стен собора установили памятник Александру Невскому - Великому князю новгородскому, воину, защитнику земли русской, святому покровителю Санкт-Петербурга. Автор памятника - скульптор В. Г. Козенюк.

В 1999 г. собор был полностью освящён. Восстановление Софии стало одной из крупнейших работ реставраторов в С.-Петербурге и его окрестностях последних десятилетий и одним из символов возрождения православия в России конца ХХ века.

Левый придел вновь был освящен во имя святых Константина и Елены. Белоснежный интерьер храма украшают гранитные колонны, великолепные позолоченые паникадила, ценные старинные и вновь созданные образа, в том числе образ покровителя города – священномученика Иоанна Кочурова, пресвитера Царскосельского и икона Божией Матери "В скорбях и печалях Утешение", подаренная священномучеником Митрополитом Вениамином царскосельскому Екатерининскому собору "в память о страшных днях смуты 29 – 31 октября 1917 года в Царском Селе", с подписью святителя.

В 2000 - 2002 гг. Балтийской строительной компанией, восстанавливавшей собор, в его ограде было выстроено здание приходской воскресной школы.

К собору приписаны домовые часовни, а также кладбищенская церковь во имя Казанской иконы Божией Матери в Пушкине, часовня Патриарха Тихона на Южном кладбище С-Петербурга; собор имеет подворье в пос. Новолисино Ленинградской области.