圣·索菲亚教堂始建于清光绪三十三年（1907年）三月，最初为沙俄东西伯利亚第四步兵师修建中东铁路时修建的一座随军教堂。同年，俄国茶商伊·费·赤斯嘉科夫出资，以随军教堂为基础，重新修建了一座全木结构教堂。1911年，木墙外部砌了一层砖墙，形成了砖木结构式教堂。
1923年9月27日，圣·索菲亚教堂第二次重建，历时9年，于1932年11月25日落成，成为远东地区最大的东正教堂。索菲亚教堂是俄国建筑师科亚西科夫设计，富丽堂皇，典雅超俗，宏伟壮观，通高53.25米，建筑面积721平方米，可容纳2000人。正门顶部为钟楼，7座铜铸制的乐钟恰好是7个音符，要由训练有素的敲钟人手脚并用才能敲打出抑扬顿挫的钟声。教堂建筑平面呈希腊十字方式布置，既受拜占庭建筑风格影响，主穹顶、钟楼又有俄罗斯传统的“帐篷顶”、“洋葱头”造型。
1986年，哈尔滨市人民政府将其列为一类保护建筑。1996年11月，被列为第四批全国重点文物保护单位。1997年6月2日至9月2日，哈尔滨市人民政府对教堂按原设计进行了全面整修，扩建索菲亚广场7000平方米，辟为哈尔滨市建筑艺术馆，以宣传、弘扬哈尔滨独特的建筑文化。
2000年，哈尔滨市人民政府组织扩建了哈尔滨市建筑艺术广场、中心休闲广场及城市建设规划展示馆建设工程。并于当年10月1日竣工投入使用。扩建后的建筑艺术广场面积由6000平方米增至10000平方米，中心广场面积36154平方米。
圣·索菲亚教堂内部现现作为“哈尔滨市建筑艺术博物馆（HarbinArchitecturalArtGallery）”对公众开放，《哈尔滨城市建设规划展》在馆内展出，共分“历史名城”、“建设历程”、“规划明天”三个部分，系统展示了哈尔滨历史文化名城风貌、现代化大都市嬗变历程，以及城市未来发展前景。
城市建设规划展示馆建设工程于2001年7月1日竣工对外开放，地下展馆总建筑面积3972平方，是哈市首次建设的现代化展馆，共分展览、演示、接待、办公、沙盘控制、展品贮备等六个区域。位于展馆中央的是1：600的哈尔滨城市建设规划沙盘，总面积396平方米，表现市区面积142.56平方公里，涵盖了南岗区、道里区、道外区、动力区、香坊区五个行政区域。
圣·索菲亚教堂构成了哈尔滨独具异国情调的人文景观和城市风情，它又是沙俄入侵东北的历史见证和研究哈尔滨市近代历史的重要珍迹。
圣·索菲亚教堂在推动哈尔滨市多元文化建设，促进哈尔滨市对外开放、友好往来和社会经济发展等方面具有不可替代的作用。