В 1439 году по указанию новгородского архиепископа Евфимия II возвели «колокольницу каменную на старом месте, на городе (то есть на крепостной стене)». Существовало также предположение таких исследователей, как К. К. Романова, Д. А. Петрова и д.р., что дата восстановления колокольни была другой — 1455 год, в то время «постави владыка Еуфимий колоколницю камену у Св. Софии», но по результатам ахеологических раскопок 1995 года методом дендрохронологии определили дату лежней под фундаментом звонницы — 1437 год, что подтвердило дату 1439 год. Существовало также мнение, что до падения в Волхов звонница стояла на городской стене и была рассчитана на небольшие колокола, а звонница упомянутая под 1455 года стояла у юго-западного угла Софийского собора, что видно на изображении Новгородского кремля на Михайловской иконе «Знамения Божией Матери», конца XVII века. Также по версии предложенной архитектором Дмитрием Петровым, декоративные элементы на стенах Софийской звонницы, такие как ниши и пояски — с готическими деталями построек XV века, судят о возможности строительства звонницы западноевропейскими мастерами, вероятно участвовавших в строительстве в Новгороде и Владычной палаты в 1433 года.

В 1530-1540-х гг., в связи с перестройкой стены, а также с развитием колокололитейных технологий, что вызвало появление новых, значительно больших колоколов, звонница была реконструирована, к этому-же времени также предположительно относят и сооружение одноэтажной пристройки у звонницы со внутренней стороны детинца. При этой перестройке было увеличено количество пролётов до пяти, прежде она имела только три пролёта и количество столбов соответственно с четырёх до шести, венчать звонницу стали пять восьмигранных кирпичных шатров. Также тогда была увеличена и высота яруса звона. По результатам исследований Ю. Э. Крушельницкого проведённых в ходе ремонтно восстановительных работ в 1940-х годах предполагалось что три сводчатые камеры между Софийской звонницей и стеной, имелись первоначально, но по мнению Д. А. Петрова камеры были сооружены в конце XV века при сооружении новых крепостных стен. О внешнем виде звонницы до реконструкции Евфимия II, до проведения послевоенных исследований, можно было судить по изображения звонницы на омофоре патриарха Никона, где она изображена трёхпролёной, а после реконструкции о виде пятипролётной звонницы можно судить по изображению на иконе «Видение пономаря Тарасия».
Во второй половине XVII века на западную пристройку достроили второй этаж и пристроили к ней с южной строны каменное крыльцо, приспособили опоры под ещё большие колокола, а в сторону Пречистенской башни, с южной стены звонницы пристроили т. н. «Домик при звоннице», пять шатров увенчивавших звонницу переделаны в высокие щипцы-фронтоны.

В середине XVIII веке верхнюю часть звонницы Софийского собора перестроили в нынешний вид, в том числе и установив по центру главу на цилиндрической основе.

В начале XX века произведена замена перекрытия на более лёгкое, из двух плоских небольших кирпичных сводов, по ним была положена плоская асфальтовая кровля. В начале 1930-х гг. Софийская звонница пришла в аварийное состояние, что повлекло значительные ремонтные работы, при которых был убран свод пристройки, а западная стена пристройки частично была переложена, также была сделана железная кровля.

С июня по октябрь 2007 года звонница была закрыта на реставрацию, в рамках работ по подготовке к празднованию 1150-летию Великого Новгорода в 2009 году.