Первое упоминание о храме во имя святых апостолов Петра и Павла относится к XVI веку. Деревянная церковь, стоявшая на берегу реки Шаловки, со временем обветшала, и в 1755 году статский советник Борис Фёдорович Щербаков получил разрешение на строительство нового деревянного храма на новом месте, неподалёку от прежнего. К 12 июня 1757 года новая церковь была возведена на высоком берегу реки Клязьмы и освящена 4 июля того же года.
Существует предание, что во время Отечественной войны 1812 года храм был осквернён и разграблен французскими войсками из отрядов маршала Нея. После этих событий, в 1817 году, на месте деревянной церкви был возведён каменный храм с купольной ротондой. Строительство осуществлялось стараниями прихожан, среди которых были местные купцы и фабриканты Бруновы и Тюляевы. Храм имел три придела: в честь Вознесения Господня, в честь Рождества Пресвятой Богородицы и во имя святых апостолов Петра и Павла. Освящение храма состоялось 29 июня 1817 года протоиереем кафедрального Архангельского собора Герасимом Поповым.
Архитектурно храм представляет собой кирпичное оштукатуренное здание с белокаменным цоколем, выполненное в стиле зрелого классицизма с элементами эклектики. Композиция храма состоит из трёх частей: четверика, трапезной и колокольни, расположенных на одной оси. Четверик, первоначально двухсветный, несёт световую ротонду, перекрытую плоским куполом с луковичной главой на глухом цилиндрическом барабане. Фасады четверика украшены портиками с тосканскими пилястрами. Трапезная имеет более сдержанный декор с полукруглыми окнами. Колокольня трёхъярусная, с открытыми звонами; верхний ярус выделяется закруглёнными срезами углов и рустовкой.
В 1892 году, во время эпидемии холеры, в день святого великомученика Пантелеимона, духовенство храма организовало крестный ход, после которого в округе не было зарегистрировано ни одного случая заболевания. В память об этом чудесном избавлении крестный ход стал проводиться ежегодно. Эта традиция была возобновлена в 2002 году.
В 1909 году храм был обнесён каменной оградой, что придало территории завершённый и благоустроенный вид.
В 1937 году, в период гонений на Русскую православную церковь, настоятель храма священник Михаил Соколов и диакон Алексий Сенкевич были арестованы по ложным обвинениям и расстреляны на Бутовском полигоне. Храм был осквернён, разграблен и закрыт. Здание использовалось как зернохранилище, а затем было заброшено, подвергшись значительным разрушениям.
Возрождение храма началось в 1989 году, когда здание было передано Русской Православной Церкви. Сразу же начались восстановительные работы, в ходе которых были восстановлены своды, крыша, окна и двери. В 1996 году на колокольню был водружён позолоченный крест. Стараниями иконописца С.И. Никифорова в храме появилось много икон.
В 2007 году, к 250-летию со дня основания Петропавловской церкви и 190-летию постройки каменного храма, были завершены ремонтно-реставрационные работы. В храме были установлены новые резные иконостасы с писаными иконами, обновлён фасад, обустроена территория. 21 сентября 2007 года митрополит Ювеналий совершил великое освящение храма, освятив три престола: Петропавловский, Богородицерождественский и Вознесенский.