Село Петровское, на территории которого расположен храм, известно с XVI века. Первое письменное упоминание о нем датируется 1521 годом. В XVII веке село находилось во владении боярина Ивана Милославского, при котором была построена первая церковь во имя святых Петра и Павла. Эта деревянная церковь просуществовала до конца XVIII века.
В 1798 году владельцами усадьбы Петровское стали Демидовы, известный горнозаводской род. Под их покровительством началось строительство нового каменного храма. Строительство было завершено в 1805 году, и 5 июня того же года церковь была освящена епископом Августином.
Архитектурный проект храма был разработан архитектором А.А. Кузьмой. Церковь выполнена в стиле зрелого классицизма. Она представляет собой двусветную ротонду, перекрытую сферическим куполом с небольшой главкой на барабане. К основному объему примыкают апсида, трапезная и трехъярусная колокольня.
После Отечественной войны 1812 года храм пострадал: отсутствуют метрические книги за этот год.
В 1857 году усадьба Петровское перешла во владение княгини Елизаветы Николаевны Чернышевой. Она обустроила в подклете храма усыпальницу для своего мужа, светлейшего князя Александра Ивановича Чернышева. Позднее здесь были похоронены и другие представители рода Чернышевых.
В начале XX века, в период с 1905 по 1937 год, настоятелем храма был священник Иоанн Соболев. Его служение совпало с тяжелыми историческими событиями, включая революцию и гражданскую войну. В эти годы церковь активно занималась социальной деятельностью, включая борьбу с пьянством.
В конце 1930-х годов, в период антирелигиозной кампании, храм был закрыт. Последними священнослужителями были священномученик Леонтий Гримальский и преподобномученик Гавриил (Гур), которые впоследствии были репрессированы и расстреляны.
После закрытия храм использовался для различных нужд, включая столовую и мастерские. В 1970-х годах были проведены реставрационные работы под руководством архитектора В.В. Кавельмахера, в ходе которых были восстановлены некоторые архитектурные элементы.
В 1990 году храм был передан Русской Православной Церкви. Первое богослужение в восстановленном храме состоялось 21 ноября 1990 года. В 2003 году был установлен новый колокол, а в 2007 году завершена реставрация внешнего облика храма, включая установку новых главок и крестов. Окончательное освящение храма было совершено в 2010 году митрополитом Ювеналием.
В настоящее время Петропавловский храм является действующим. При храме функционируют воскресная школа, молодежный клуб и волонтерское объединение. Богослужения проводятся ежедневно, а также организуются различные культурные и образовательные мероприятия для прихожан и гостей города.
