В 1764-1767 годах на месте обветшавшей Троицкой церкви Хлыновского кремля был возведён Спасский собор. К 1818 году была завершена отделка храмового интерьера, и Петропавловский собор освятили.
В 1929 году церковь закрыли и разместили внутри общежитие педагогического института, впоследствии были снесены купол и колокольня. С 1960-х годов в здании размещался научно-проектный институт. В 1994 году храм вернули верующим, которые занялись его восстановлением. Колокольню с девятиметровым крестом воссоздали в 2009 году.
