Заложен Петром I в 1712, построен в 1728 (арх. Доменико Трезини). Освящен 9 июля 1733 архиепископом Феофаном (Прокоповичем) в присутствии Синода и Императорского Двора. После пожара 1756 освящен вновь 6 июля 1757.
Собор является памятником архитектуры федерального значения. Епархии не передан, находится в распоряжении Государственного музея истории Санкт-Петербурга, с которым Епархия имеет договор о совершении регулярных воскресных и праздничных богослужений. Действующим является лишь главный алтарь с престолом во имя св. первоверх. апп. Петра и Павла (престольный праздник 12 июля). В приделах св. вмц. Екатерины и св. блгв. кн. Александра Невского алтари были разобраны в советское время.