Собор построен на месте деревянной церкви Спаса Всемилостивого, которую называли «Всеградской» и «Обыденной», так как она была возведена 31 (18) октября 1655 года за одни сутки. В том году в Вологде свирепствовала моровая язва, и строительство «обыденной» церкви было предпринято в качестве духовного подвига во избавление от болезни. Тогда же был составлен общественный «Приговор» горожан, которым они брали на себя и своих потомков обязательство вечно хранить церковь Спаса Всемилостивого.

          Спустя четыре дня после постройки церкви также «обыденно», то есть за один день, была написана икона Всемилостивого Спаса, которая стала главной святыней храма и всего города. В её честь ежегодно 31 октября проводился крестный ход.

          Деревянная церковь быстро ветшала и не могла вместить толпы богомольцев, стекавшихся в неё отовсюду. Поэтому в 1688 году началось возведение каменного собора. Его строили прямо над деревянной единодневной церковью, в которой ни на день не прекращалась церковная служба. Полностью храм был готов в 1698 году. В 1718 году он был расписан. Среди прочего фрески изображали избавление Вологды от моровой язвы. В 1720-е годы к храму была пристроена тёплая придельная церковь во имя Тихвинской иконы Божией Матери. В XIX веке собор неоднократно подвергался перестройке и постепенно утратил свой первоначальный вид: 1840-1842 годах были перестроены трапезная и тёплая церковь. Тогда же был возведён ещё один придел, но он по каким-то причинам не был освящён и использовался впоследствии лишь для хранения церковной утвари. В 1851-1853 годах была проведена масштабная реконструкция собора: была заменена стенная живопись, расширен алтарь, поднят пол, растёсаны (увеличены) окна. В 1898 году фрески были вновь переписаны. К началу XX века от старого собора осталась только колокольня и фасад главной церкви.

         Спасо-Всеградский собор стал главным храмом Вологды, получавшим большие денежные пожертвования. В нём принимали присягу выборные руководители города. День постройки Спасской церкви и избавления от моровой язвы, 18 октября по старому стилю, до революции отмечался в Вологде как главный «всеградский праздник», называвшийся в народе «Лукин день».

         В этот день совершалось торжественное всенощное бдение. Каждой городской церкви было определено точное время среди ночи, в которое священник вместе со своими прихожанами и певчими являлся в собор и совершал молебен. Позднюю литургию в соборе служил архиерей с сонмом духовенства. По окончании литургии совершался крестный ход.