Собор святых апостолов Петра и Павла в Петропавловской крепости заложен Петром I 29 июня 1703 года в день тезоименитства государя. Первая деревянная церковь освящена 1 апреля 1704 года. Каменный собор начал возводиться по проекту Доменико Трезини 8 июня 1712 года, при этом деревянный храм сохранялся внутри строительной площадки до завершения основных работ.
Колокольня высотой 106 метров с деревянным шпилем завершена в 1720 году. Медный золоченый шпиль установлен в 1724 году. Полное освящение собора состоялось 28 июня 1733 года архиепископом Феофаном (Прокоповичем) в присутствии Синода и Императорского Двора. Храм построен в стиле петровского барокко, представляет собой трехнефную базилику с колокольней на западном фасаде.
В 1756 году пожар уничтожил деревянные конструкции шпиля. Восстановление завершено в 1773 году с установкой новых курантов голландского мастера Б.Ф. Оорта Красса. В 1777 году ураган повредил шпиль, ремонт выполнен по проекту Антонио Ринальди. В 1856-1858 годах деревянный шпиль заменен металлической конструкцией инженера Д.И. Журавского, что увеличило высоту собора до 122,5 метров.
С 1725 года собор стал усыпальницей российских императоров. Первым погребен Петр I. В 1908 году к востоку от собора построена Великокняжеская усыпальница. В 1919 году храм закрыт для богослужений, в 1924 году преобразован в музей. С 1954 года находится в ведении Государственного музея истории Санкт-Петербурга.
С 1990-х годов в соборе возобновлены панихиды по российским императорам, с 2000 года - регулярные богослужения. Главный престол освящен во имя святых первоверховных апостолов Петра и Павла. Приделы святой Екатерины и святого благоверного князя Александра Невского утратили алтари в советский период.