Петропавловская крепость была заложена на Заячьем острове в 1703 году. 29 июня того же года, в день апостолов Петра и Павла, началось строительство церкви. Её освятили 1 апреля 1704 года, а уже через полтора месяца в ней отслужили праздничный молебен в честь победы фельдмаршала Шереметева над шведами на Чудском озере.
Каменный Петропавловский собор начали строить 30 мая таким образом, что деревянный остался внутри нового храма. Работы проводились под руководством архитектора из Италии Доменико Трезини. Возведение колокольни закончилось только в 1720 году из-за недостатка стройматериалов и нехватки рабочих рук. Работы на всём соборе завершились к 1733 году, после смерти инициатора его строительства Петра I. До 1858 года этот храм был кафедральным, пока не состоялось освящение Исаакиевского собора.
В 1756-1757 годах церковь восстановили после пожара. 19 лет спустя на её колокольне смонтировали куранты работы голландского мастера Б. Оорта Краса. Повреждённую бурей фигуру ангела в 1777 году сделали по проекту архитектора Антонио Ринальди. До 2012 года церковь была самым высоким зданием в Санкт-Петербурге.
До революции внутри хранились ключи от захваченных русскими городов и трофейные знамёна. Впоследствии их передали в Эрмитаж, а в церкви выставили копии турецких и шведских знамён. В 1919 году Петропавловский собор закрыли, а пять лет спустя превратили в музей. В годы блокады Ленинграда храм получил серьёзные повреждения. Его фасады были отреставрированы в 1952 году, интерьеры — в 1956-1957 годах. С 1954 года здание передали Музею истории города, который теперь делит храм со священнослужителями.
В 1715 году в недостроенном храме похоронили дочь Петра I Наталью, под колокольней — жену царевича Алексея Петровича и затем его самого. После смерти императора в 1725 году его гроб поставили во временной часовне и похоронили только 29 мая 1731 года, когда строительство было завершено. В дальнейшем в Петропавловском соборе хоронили всех императоров и императриц, кроме Петра II и Ивана VI, а также их близких родственников.
Сейчас Петропавловский собор можно посетить в любой день, кроме среды, с 10:00 до 18:00. Билет только в эту церковь стоит 500 рублей для взрослых, 300 рублей для учащихся и студентов, 250 рублей для пенсионеров. Комплексный билет на посещение всей Петропавловской крепости стоит, соответственно, 750, 400 и 300 рублей и действует два календарных дня.
