Почти одновременно с крепостью была заложена деревянная церковь Святого Петра и Павла. Но в 1712 году, когда Петербург становится столицей, было заложено каменное здание собора, и новый каменный собор строился над старым деревянным. Собор строился по проекту и под руководством Трезини.

Петропавловский собор построен в стиле раннего петровского барокко. Собор представляет собой вытянутое прямоугольное здание, стены которого оформлены пилястрами. Высокая трехъярусная колокольня словно вырастает из основного массива здания. Плавность перехода от яруса к ярусу создают валюты.

Колокольня увенчана шпилем и фигурой ангела с крестом; она как бы символизирует утверждение Росси на берегах Невы. Высота колокольни со шпилем - 122,5 метра. Эта самая высокая архитектурная точка города. Высота ангела 3,2 метра, размах крыльев - 3, 6 метра, а ангел вращается вокруг оси.

Колокольня и собор строились не одновременно. По требованию Петра I вначале была построена колокольня, ее строительство в основном закончили в 1720 году. Каркас шпиля в 1723 году был покрыт позолоченными листами, и тогда же на вершине колокольни собора установили часы с курантами в 35 колоколов, купленные в Голландии.

Так как шпиль не имел громоотвода, от ударов молнии в колокольне часто возникали пожары. В 1756 году пожаром были сожжены часы с курантами, колокольня и было серьезно повреждено внутреннее убранство собора (строительство новой колокольни и реставрация внутри собора - по проекту Чевакинского).

В годы войны куранты сильно пострадали от осколков фашистской бомбы. Сейчас куранты бьют 4 раза в день - в 6, 12, 18 и в 24 часа.

В 1896-1908 годах в непосредственной близости от собора было возведено здание Великокняжеской усыпальницы по проекту архитекторов Д. Гримма, Л.Бенца, А.Томшико. Благодаря умело найденным пропорциям здание усыпальницы, завершенное куполом и луковичной главкой, и собор воспринимаются как единое целое.

Здание собора по своей архитектуре отличается от привычных православных русских храмов, где главной архитектурной деталью являлся купол, а не острый шпиль колокольни, как это было принято в Голландии. Оно построено в форме вытянутого прямоугольника, а не в виде креста. В нем поражает все: и непривычная двухъярусная крыша, и мраморные портики входов.