Первая деревянная Петропавловская церковь на месте будущего собора была выстроена в 1703—1704 годах. Она запечатлена на целом ряде изображений, впрочем, не всегда похожих друг на друга. Церковь имела крестообразный план и была увенчана шпилем, которому отвечали два малых шпиля над башенками по углам западного фасада. Современники связывали архитектуру церкви с «голландским стилем».
Новый каменный собор был заложен в 1712 году, но к его строительству приступили только два года спустя. По указанию Петра I сооружение собора началось с колокольни. Уже в 1717—1718 годах на колокольню был поднят и установлен 25-метровый шпиль. Несколько медленнее возводилось основное здание собора. Деревянная церковь Петра и Павла оставалась на своем прежнем месте внутри поднимавшихся стен, и только в 1719 году, когда стало необходимым возвести внутренние пилоны для опоры сводов, ее разобрали и перенесли на Городовой остров. Сведéние сводов, а также сооружение барабана и купола над ним было завершено в 1727 году.
Несколько лет продолжалась внутренняя отделка собора. Его торжественное освящение состоялось в июне 1733 года.
Собор сильно пострадал от пожара 1756 года, вызванного ударом молнии. При восстановлении собора был создан новый каменный купол в восточной части, а высокая кровля с двойным переломом заменена простой двускатной. В 1770-х годах колокольня собора была отстроена заново от второго яруса, ее высота была увеличена при сохранении прежнего архитектурного стиля. В середине XIX века деревянные конструкции шпиля были заменены металлическими, в результате чего его высота вновь увеличилась, достигнув 122,5 метров.
Прямоугольный в плане собор представляет зальную базилику. Его западный фасад в своем нынешнем виде являет результат многочисленных переделок. Первоначально в нижних двух ярусах он воспроизводил структуру фасада знаменитой церкви Иль Джезу в Риме, хорошо известной Трезини, а колокольня несколько отступала от плоскости фасада. Верхняя пара волют колокольни отсутствовала, входной портик имел иную форму. Современный вид западный фасад приобрел во 2-й половине XVIII века: колокольня после перестройки слилась с ним в единую плоскость, декоративная отделка была значительно изменена и упрощена. Лучше сохранился восточный (алтарный) фасад.
Интерьер собора расчленен пилонами на три нефа равной высоты. Своды украшены росписью и лепниной. Достопримечательностью собора является грандиозный резной иконостас, выполненный в 1722—1727 годах в мастерской московского зодчего Ивана Зарудного по рисункам Д. Трезини.
С начала XVIII века собор служил усыпальницей русских государей.