В центре Петропавловской крепости находится Петропавловский собор — собор Святых апостолов Петра и Павла. Его закладка состоялась 30 мая 1712 года. Строительство собора длилось 20 лет. Храм представляет собой вытянутое с запада на восток прямоугольное здание «зального» типа, характерное именно для западноевропейской архитектуры. Длина постройки — 61 метр, ширина — 27,5 метра.
Необычны для традиционного русского культового зодчества как внешний облик собора, так и интерьер. Его главное украшение — резной золоченый иконостас и надпрестольная сень — дар храму от Петра I и Екатерины I.
Программу иконостаса составили Петр I и архиепископ Новгородский Феофан Прокопович. Композиция иконостаса включает пять больших киотов. В них размещены 43 иконы, написанные в 1726–1729 годах. Храм имеет два престола. Главный из них освящён во имя святых апостолов Петра и Павла. Второй престол находится в юго-западном углу и освящён в честь святой великомученицы Екатерины.
Перед алтарем установлена кафедра для произнесения проповедей. Симметрично кафедре находится царское место — помост, где во время богослужения стоял император.
Главенствующая часть собора — многоярусная колокольня. На колокольне располагается 103 колокола, из них 31 сохранился с 1757 года. На самом верху установлена фигура ангела с крестом в руках, высота креста около 6,5 метров. Высота фигуры — 3,2 метра, размах крыльев — 3,8 метра, а масса — около 250 кг.
Собор соединен галереей с Великокняжеской усыпальницей, построенной для погребения великих князей — членов императорского дома Романовых. Обычай хоронить членов правящей династии в храмах основывался на представлении о божественном происхождении их власти. В ней похоронен основатель города — Петр I. В дальнейшем в усыпальнице были похоронены почти все императоры и императрицы до Александра III.
В Великую Отечественную войну Петропавловский собор сильно пострадал. В 1952 году были отреставрированы фасады, в 1956–1957 годах — интерьеры. В 1954 году здание было передано Музею истории города.