Каменный храм в честь святых первоверховных апостолов Петра и Павла в селе Касёво Бирского уезда (ныне в черте города Нефтекамска) возводился в два этапа на средства прихожан. Первый этап строительства завершился в 1825 году освящением придела во имя великомученика Димитрия Солунского 10 января. Основной объем храма с главным престолом в честь апостолов Петра и Павла был завершен и освящен 7 сентября 1842 года.
В архитектурном отношении здание представляет собой образец позднего классицизма с доминирующим барабаном храма, увенчанным сферическим куполом и световой ротондой. Композиция включает четверик основного объема, полукруглую апсиду и трапезную часть. Колокольня, первоначально имевшая циркульное завершение, выполнена в трех ярусах с двумя ярусами звона.
В конце XIX века приход храма включал село Касёво и шестнадцать окрестных деревень. 10 июля 1908 года церковь посетила великая княгиня Елизавета Фёдоровна. В 1931 году храм был закрыт для богослужений и использовался как складское помещение, а в годы Великой Отечественной войны подвергся значительному разрушению.
В 1989 году полуразрушенное здание было возвращено Русской Православной Церкви. В течение десяти лет проводились восстановительные работы. С 2011 года, после образования Нефтекамской епархии, храм получил статус кафедрального собора. В 2015 году начата реконструкция купольных покрытий.
Храм имеет два престола: главный - в честь апостолов Петра и Павла, и южный - во имя великомученика Димитрия Солунского, расположенный в трапезной части. Архитектурный ансамбль включен в реестр объектов культурного наследия Республики Башкортостан.