Инициатива строительства принадлежала представителям городской общественности и духовенства, включая депутатов Самарской Губернской Думы и руководство Православной классической гимназии Тольятти.Благословение на строительство было дано архиепископом Самарским и Сызранским Сергием.Проект храма разработал архитектор-реставратор Вячеслав Николаевич Ижиков, известный своими работами по созданию православных приходских и монастырских церквей в России.
Строительство храма началось 17 апреля 2012 года с проведения молебна и освящения места будущего строительства. 8 июня 2014 года был освящён и установлен купол с крестом. Торжественное открытие храма состоялось 8 июля 2017 года, в день памяти святых Петра и Февронии. Чин великого освящения совершил митрополит Сергий.
Архитектурно храм представляет собой здание, возведённое в форме креста, увенчанное центральным куполом лу́ковичной формы, расположенным на барабане с высокими узкими окнами. Алтарь выделен полукруглой апсидой с четырьмя высокими окнами. Фасады здания украшены рельефными арками и полукруглыми пилястрами. Центральный объём храма доминирует в общей композиции, его фасады декорированы рельефами в виде полукруглых трёхчастных закома́р с небольшими оконцами. Здание покоится на высоком подкле́те. К парадному входу ведут ступени, ограждённые парапетом и украшенные баля́синами. Над центральным входом расположена звонница с колоколами. С южного фасада устроен боковой вход, стилистически аналогичный центральному. С северной стороны здания располагается вход в подкле́т. Перекрытия храма повторяют а́брис трёхчастных закома́р. Весь храм окрашен в белый цвет, цокольная часть покрыта серым камнем. Окна храма вытянутые, арочные, обрамлённые полукруглым выпуклым наличником. Главный вход традиционно находится с западной стороны храма. На фасаде центрального входа над дверным проёмом в нише расположена икона святых Петра и Февронии.
Интерьер храма выполнен в молочно-бежевых оттенках. В основную часть храма входят три разновысоких арки, соединяющие это помещение с притвором и боковыми пространствами. Амвон приподнят над уровнем основного пола на две ступени. Иконостас трёхъярусный, светлый, украшенный резным орнаментом. Пол выложен фигурным резным камнем. Все работы по возведению стен, отделке и созданию иконостаса были выполнены тольяттинскими мастерами.
В 2012 году архиепископ Владимирский и Суздальский Евлогий передал паломникам из Тольятти частицы мощей святых Петра и Февронии для будущего храма. Ковчежец с частями мощей является главной святыней храма.
Храм активно взаимодействует с городским Дворцом бракосочетания, расположенным напротив. При храме действует духовно-просветительский центр «Семья, любовь и верность», где оказывается поддержка молодым семьям, проводятся беседы с будущими супругами о совместной жизни на основе православных ценностей, благотворительные мероприятия, работает молодёжный клуб. Храм стал местом проведения таинств Венчания и Крещения, молебнов по случаю серебряных и золотых свадеб, других семейных торжеств.
В 2020 году в районе расположения храма был создан сквер имени Сергея Фёдоровича Жилкина, первого мэра Тольятти и первого ректора Тольяттинского государственного университета. В сквере установлены детские площадки, амфитеатр, сухой фонтан, оборудованы прогулочные зоны и места для отдыха. Храм Петра и Февронии стал духовным центром этого общественного пространства.
