Первая деревянная колокольня Софийского собора хорошо читается на рисунке середины XVII века голландского путешественника Абрагама ван Вестерфельда. Она имела четыре яруса, проезд и галереи и располагалась справа от собора, если смотреть со стороны площади. Отталкиваясь от этого изображения и плана Киева 1695 года, выполненного полковником Ушаковым, некоторые исследователи считают, что тогда у стен Софии существовали одновременно две колокольни. Их построили в 1630–1640 годы при митрополите Петре Могиле. Судя по рисунку, одна колокольня была покрыта шатровой крышей с небольшой главкой, вторая представлялась в виде въездной башни. Первая, вероятно, предназначалась для большого колокола, во второй внизу были устроены ворота для проезда, а выше располагалась галерея с малыми колоколами. Случившийся в 1697 году пожар уничтожил все эти деревянные постройки.
София Киевская. Рисунок А. Вестерфельда. 1651 год
Уже через два года приступили к сооружению новой колокольни. Запроектирована она была каменной с тремя ярусами. К тому времени место перед монастырем, куда сходились дороги от четырех ворот Верхнего города, окончательно сложилось как площадь. Для реализации гармоничного градостроительного ансамбля колокольню решили разместить восточнее Софийского собора. Это не совсем соответствовало канонам, однако формировало архитектурную гармонию и создавало своеобразную перекличку колоколен двух соборов — Софийского и Михайловского. Строительство было закончено в 1706 году. Но уже через несколько лет верхняя часть стала покрываться трещинами, грозя постепенным разрушением всему строению. Ведь сооружение, со стенами нижнего яруса толщиной от полутора до двух метров, возвели на месте когда-то засыпанного оврага. В 1742 году Киев пережил землетрясение, что усугубило проблемы колокольни, и в итоге потребовалась ее кардинальная переделка. Верхнюю часть полностью разобрали, а мощный нижний ярус использовали для нового строительства. В нем сохранили и богатую лепную отделку: растительный орнамент, барельефы, изображающие головки ангелов и мужские фигуры, как будто одетые в украинские свитки, подпоясанные кушаками. Увенчал колокольню купол в стиле барокко, украшенный золотыми звездами по голубому полю. Восстановительными работами руководил видный зодчий Иоганн Готфрид Шедель, который в те же годы возводил колокольню Киево-Печерской Лавры, строил Браму Заборовского, достраивал митрополичьи покои Софии.
Лепка на нижнем ярусе. 1900-е годы
Перестройка длилась с 1744 по 1748 год. По сохранившимся свидетельствам, после этого цвет стен стал синим, а лепных изображений — светло-желтым. Одежды на барельефных фигурах, их лица и волосы тоже раскрасили. На первом и втором ярусах лепнина выполнялась вручную с лесов прямо на месте по свежей штукатурке. Пользовались также отливкой с дополнением алебастра для лепных головок ангелов, прикрепляя лепнину к стене коваными гвоздями. С внешней стороны на третьем ярусе появились изображения равноапостольного князя Владимира и апостола Андрея. Изнутри на том же уровне колокольню украсили барельефы небесных покровителей киевских митрополитов Рафаила Заборовского и Тимофея Щербацкого — архангела Рафаила и апостола Тимофея.
После секуляризации церковных владений обедневший Софийский монастырь уже не имел средств для поддержания на должном уровне строений на подворье, в том числе и колокольни. Архитектор Андрей Меленский в первые годы XIX века свидетельствовал о ее запущенности и говорил о необходимости строительства нового купола. Но руки до этого дошли только в середине XIX века. Тогда по проекту Павла Спарро был надстроен привычный нам сегодня четвертый ярус. В овальном окне третьего яруса расположили часы. Саму колокольню окрасили в два цвета — белоснежный и ярко-голубой и увенчали грушевидным куполом, который покрыли медными листами. Он никак не закреплен и держится в стенах собственной тяжестью.
Повреждения колокольни после обстрела войсками Муравьева. 1918 год
В начале ХХ века колокольне довелось увидеть множество важных исторических событий, собраний, митингов и парадов, ее колокола звонили, провозглашая первую Украинскую республику. В конце января 1918 года тяжелая артиллерия войск большевиков под командованием Муравьева варварски обстреляла Киев. Тогда Софийская колокольня, как и многие другие здания, являвшиеся архитектурными доминантами, получила серьезные повреждения. Прочно установившаяся через некоторое время советская власть по-своему решила судьбу Софии. К счастью, ей удалось избежать печальной участи многих киевских храмов, разрушенных богоборцами, — часть комплекса собора в 1934 году превратилась в историко-архитектурный заповедник. Богослужение прекратили, а колокола сняли и отвезли на переплавку. Когда-то их на колокольне было двадцать: пять больших (великих) — Рафаил, Мазепа, полуелейный, повседневный и постовой; девять средних и шесть малых. Единственный сохранившийся до наших дней — большой колокол Мазепа. Он был изготовлен в 1705 году на средства Ивана Мазепы и получил имя в честь гетмана. Этот колокол, закрепленный на втором ярусе, настроен на ноту "ре".
Вид на колокольню со стороны подворья Софии. 2000-е годы
Летом 1941 года, когда нацисты начали авиационные налеты на Киев, купол Софийской колокольни в целях светомаскировки выкрасили суриком, и только в середине ХХ века он был восстановлен в позолоте. Но глобальная реставрация памятника была проведена уже в наше время, на смене тысячелетий. Тогда обновили крест, заново позолотили купол, отреставрировали декоративную отделку стен, отлили и установили двадцать бронзовых колоколов общим весом 835 килограммов. Ныне, как и прежде, колокольня Софийского собора является украшением Старого города, а с ее смотровых площадок открываются прекрасные панорамы Киева.