В 1703 году при строительстве Петропавловской крепости на её территории заложили деревянную церковь Святых Петра и Павла. 8 июня 1712 года Доменико Трезини начал строительство нового большого каменного храма. Его стены стали возводить прямо вокруг старой деревянной церкви. 30 мая 1714 года была проведена церковная служба освящения будущего храма. Официальное название - Собор во имя первоверховных апостолов Петра и Павла.
Петропавловский собор начали строить по настоянию Пётр I с колокольни. Во время путешествия по Европе Пётр I обратил внимание на часы-куранты, украшавшие некоторые европейские храмы. Такие же Пётр захотел иметь и в России. Были закуплены трое курантов, одни из которых доставили в Санкт-Петербург. Желание царя видеть часы в деле было так велико, что под его давлением куранты установили ещё на недостроенную колокольню.
Петропавловский собор построен по совершенно новым для России того времени принципам. На его архитектурном решении сказалось влияние западных традиций. Стены гораздо менее толстые чем у традиционных русских храмов, большие окна, высокие узкие столбы (пилоны), только один купол (вместо обычного пятиглавия). Этот собор стал примером для всех других церквей до середины XVIII века. Далее по указу Синода храмы снова стали строиться пятиглавыми.
Живопись внутри Петропавловского собора является важной с точки зрения развития русского искусства. Здесь применены не только библейские, но и светские художественные орнаменты. Роспись стен храма принадлежит русским художникам Воробьёву и Негрубову. Плафоны в центральном нефе выполнил Пётр Зыбин.
В левой части центрального прохода в 1732 году Николасом Проскопом была оборудована кафедра. Она сделана из резного позолочённого дерева. В нижней части кафедры расположены картины, изображающие притчу о сеятеле. Выше расположены фигуры апостолов Петра и Павла, над ними - 4 евангелиста. На самом верху кафедры расположена фигура голубя, символизирующая святой дух.
В правой части центрального прохода расположено царское место. Оно также выполнено из позолоченного резного дерева, обтянуто бархатом. Кресла здесь никогда не было, во время служб царь не садился.
Центральный неф освещают хрустальные люстры конца XVIII века. Ближе к алтарю - подлинная, другие восстановлены после Великой Отечественной войны.
В Петропавловском соборе хранились трофейные знамёна, ключи от городов и крепостей, взятые в войнах со Швецией и Турцией. Сейчас оригиналы флагов находятся в музеях, на стенах размещены их копии.
В таком виде Петропавловский собор простоял до 1756 года. В ночь с 29 на 30 апреля 1756 года в шпиль ударила молния, горящим он упал на крышу собора. Колокольня была тогда полностью утрачена, повреждена крыша, разбит портик при входе, в пожаре расплавились колокола курантов. Уже 31 апреля был издан указ о скорейшем восстановлении Петропавловского собора. Со всех строек в срочном порядке были собраны строители, достаточно быстро восстановили крышу собора. Изначально крыша собора была двухскатной, после реставрации она становится более плоской. Колокольню же восстанавливали 20 лет. Решено было строить её не из дерева, а в камне. Из-за увеличенной при этом массы строения в основание колокольни стали бить сваи. Появилась дополнительная стена, в результате которой образовались дополнительные помещения. Таким образом в Петропавловском соборе возник Екатерининский притвор, ризница, отдельное пространство для лестницы на колокольню.
При Петре III средства на восстановление Петропавловского собора не выделялись, при Екатерине II был организован специальный архитектурный конкурс. На конкурс были поданы проекты Фельтена и Чевакинского, по которым предусматривалось коренным образом изменить образ храма. Однако по настоянию Екатерины II его начали восстанавливать по первоначальному проекту Доменико Трезини. Новая деревянная конструкция шпиля была выполнена по проекту Брауера. Возводила его бригада талантливого инженера Еремеева. Инженер этот был замечен в пристрастии к выпивке, поэтому выпустили специальный приказ не выпускать Еремеева за пределы крепости без присмотра. Новый шпиль вырос со 112 метров до 117. Ангела выполнили по первоначальному рисунку. При пожаре удалось спасти иконостас. Способствовала этому его разборная конструкция, из здания его по частям выносили солдаты князя Голицина.
Новые куранты было предложено выполнить русскому часовому мастеру Миллеру. Работу выполнить он согласился, но отказался подписывать необходимые гарантии. Тогда был объявлен конкурс, на котором победил голландский мастер Оорт-Крас. С ним был заключён договор, по которому первую часть гонорара он получал при представлении механизма часов комиссии, вторую же только после установки курантов на колокольню собора. Осенью 1760 года часы привезли в Санкт-Петербург. Оорт-Красу выплатили первую часть жалования, однако установить их на колокольню не удалось, так как её собственно ещё не существовало. Механизм пришлось разместить на небольшой временной колокольне. Во время ожидания окончания строительства новой колокольни в 1764 году Оорт-Крас умер. Куранты установили на колокольню Петропавловского собора только в конце 1770- годов.
Второй ангел шпиля Петропавловского собора погиб во время урагана 1778 года. Сильный ветер сломал фигуру, был повреждён поворотный механизм. Проект третьего ангела выполнил Антонио Ринальди. Он совместил центр тяжести ангела и креста, теперь фигура не "летела" держась двумя руками за крест, а как бы сидела на нём. К тому же ангел перестал выполнять функции флюгера. Он продолжал вращаться под действием ветра, но усилие для этого надо было приложить гораздо большее. Вращение фигуры теперь было необходимо только для уменьшения её парусности.
В 1830 году ураганный ветер повредил фигуру ангела на шпиле. Средств на возведение лесов вокруг шпиля в казне не оказалось. Кровельщик Пётр Телушкин вызвался без страховки, удерживаясь только пальцами, забраться на яблоко шпиля и отремонтировать флюгер. Пётр Телушкин за свой подвиг получил право на бесплатную чарку водки во всех казённых кабаках пожизненно. Это право он подтверждал соответствующим документом с печатью. Однако он часто терял этот документ, Телушкину приходилось подолгу восстанавливать свою привелегию. В конце концов чиновникам надоело ставить печати на бумагу, печать поставили Телушкину на правую сторону подбородка. Теперь ему было достаточно щёлкнуть пальцем по клейму. Тогда и возник характерный жест приглашающий выпить.
Под иконостас в XIX веке для избежания влияния сырости подведено мраморное основание, деревянные врата из-за ветхости заменили, новые выполнили из бронзы.
Уже при Петре I Петропавловский собор становится усыпальницей для членов царской семьи. В 1715 году здесь похоронена жена царевича Алексея, в 1717 году - сестра Петра I, Мария Алексеевна, в 1718 году - царевич Алексей.
После смерти Петра I в 1725 году гроб с его набальзамированным телом стоял 6 лет среди стен недостроенного собора. Позже рядом поставили гроб с телом его жены Екатерины. В 1731 году по завершении строительства храма Петра I и Екатерину похоронили у южной стены перед алтарём. Изначально на месте захоронений были только мраморные плиты, без надгробий. Надгробия появились здесь в 1760-х годах. Почти все они одинаковы, выполнены из мраморных белых плит. Надгробия коронованных особ имеют по углам гербы. Два надгробия уникальны, захоронения Александра II и его жены Марии Александровны выполнены из яшмы и орлеца. Они монолитны, весят каждая порядка 5-6 тонн.
Когда в самом соборе для захоронений не осталось места, рядом с храмом к 1908 году построили усыпальницу (по проекту Д. И. Гримма и Л. Н. Бенуа), здания связали коридором. Перед западным входом в 1904-1906 годах установили ограду по образцу ограды Летнего сада. В усыпальнице было решено хоронить только членов императорской семьи, не самих коронованных особ. До начала Первой Мировой войны успели перенести 8 захоронений из правого нефа собора. Кроме этого здесь успели похоронить ещё 5 великих князей. Всего в усыпальнице было предусмотрено 30 склепов.
После революции 1917 года Петропавловский собор был признан памятником архитектуры, его убранство сохранилось. Великокняжеская усыпальница же была разграблена, мраморные надгробья разбиты. Долгое время там размещался склад. В 1930-х годах по инициативе рабочих рассматривался вопрос о замене ангела шпиля колокольни на рубиновую звезду. На этот проект успели составить документы, но из-за начала Великой Отечественной войны эту работу выполнить так и не успели. Во время блокады Ленинграда шпиль Петропавловского собора был закрашен, ангела закрыли мешковиной.
В 1992 году в восстановленной великокняжеской усыпальнице был похоронен член дома Романовых Владимир Кириллович. Последнее погребение в Петропавловском соборе состоялось в 1998 году, когда в Екатерининский предел перенесли останки Николая II и его семьи.
