Первоначально на этом месте существовала деревянная церковь, дата постройки которой точно не установлена, но известно, что она была возведена не позднее 1652 года. Деревянный храм дважды подвергался разрушению из-за пожаров: в 1701 и 1765 годах. После последнего пожара в 1765 году на месте сгоревшего храма был временно установлен деревянный Предтеченский храм, перевезённый из Иоанновского Междугорского монастыря и освящённый 18 июня 1765 года.
13 сентября 1768 года был заложен каменный храм во имя первоверховных апостолов Петра и Павла. Строительство продолжалось около пяти лет и велось на средства прихожан. Главный придел был освящён 10 августа 1774 года, придел во имя преподобного Нила Столобенского — 7 декабря того же года. В 1807 году к храму была пристроена колокольня. Архитектурный стиль храма представляет собой переход от сибирского барокко к классицизму, что выражается в геометрически строгих формах и минималистичном декоре. Храм состоит из высокого трёхсветного четверика с полуглавками, завершённого купольным сводом и небольшой главкой, с двухпридельной трапезной и колокольней. Звонница, сооружённая в 1807 году, завершена куполом сложной формы.
В приходе храма числились девять деревень, включая Ивановскую, Анисимово, Серебрянку, Клюсово, Токарёво, Утёмово, Денисово и Соколово. В начале XX века в приходе насчитывалось 286 дворов и более 1 600 прихожан. В деревне Анисимово находилась деревянная часовня во имя Воздвижения Честного Животворящего Креста. В приходе также функционировала сельскохозяйственная школа, построенная в 1900 году в деревне Соколово.
После Октябрьской революции храм продолжал действовать более десяти лет. В 1922 году из храма были изъяты все драгоценные металлы и серебряная утварь. В 1929 году были сняты колокола, а в 1930 году церковь была закрыта. Здание использовалось под склад, затем было передано татарскому педагогическому училищу для организации общежития для студентов. Внутри храма были устроены деревянные перекрытия и временные комнаты. После Великой Отечественной войны здание использовалось различными организациями, включая склады. К 1980-м годам здание храма находилось в запущенном состоянии и требовало капитального ремонта.
В 1987 году Тобольский исполком планировал реставрировать Петропавловскую церковь как памятник архитектуры и использовать её под музей. Однако в 1988 году по просьбе архиепископа Омского и Тюменского Феодосия здание храма было передано Тобольско-Тюменской епархии. В 1989 году в храме была открыта Тобольская духовная семинария, и храм стал семинарской церковью. В нём были оборудованы классы, библиотека, канцелярия и жилые помещения для воспитанников. Позднее, когда семинария получила новые помещения, учебная база переместилась в кремль, а семинарским храмом стал Покровский собор. В настоящее время в храме размещаются учебные помещения иконописной школы при Тобольской православной духовной семинарии. Богослужения совершаются учащимися семинарии в священном сане, а за богослужением поют воспитанники регентского отделения.
