До 1779 года на этом месте находился деревянный Никольский собор, который был уничтожен в результате крупного пожара, оставившего в городе лишь 23 дома. Впоследствии, по указу императрицы Екатерины II, было принято решение о строительстве нового каменного собора. В 1785 году началось возведение храма под руководством калужского губернского архитектора Ивана Денисовича Ясныгина. Строительство завершилось в 1789 году, а 22 марта 1790 года собор был освящён в честь святых апостолов Петра и Павла.
Первоначально здание имело продолговатую форму с трёхъярусной каменной колокольней. В первой половине XIX века к нему были пристроены два придела: в честь святителя Николая Чудотворца (освящён 25 июня 1823 года) и Успения Пресвятой Богородицы (освящён 1 октября 1833 года). Эти изменения придали храму форму усечённого креста.
В 1871 году вокруг собора была установлена каменная ограда с ажурной железной решёткой. Внутри ограды находились захоронения священнослужителей. На звоннице собора размещалось семь колоколов, главный из которых весил 210 пудов.
В 1930-х годах, в период антирелигиозной политики советского государства, собор был закрыт, а его священнослужители подверглись репрессиям. Здание переоборудовали под Дом пионеров: купола и колокольня были разобраны, внутреннее пространство разделено на два этажа, а на месте алтаря устроена сцена. Некрополь вокруг храма был уничтожен.
В 1999 году здание собора было передано Калужской епархии. Начались восстановительные работы под руководством архитектора Александра Любешкина. К 2003 году был восстановлен главный купол с барабаном и крестом, в 2004 году — купола приделов. К весне 2005 года завершилось возведение трёхъярусной колокольни, а 12 июля того же года на неё были подняты колокола.
