Первые лютеране появились в Москве в 1524-1533 годах среди приглашенных из Северо-Западной Европы ремесленников, врачей и купцов. В 1817 году евангелическо-лютеранский приход приобрёл усадьбу Лопухиных близ Покровки, на Старосадском переулке. На средства короля Пруссии Фридриха Вильгельма III и при поддержке императора Александра I в июне следующего года началась перестройка купленного дома под церковь (возведение купола и креста). 18 августа 1819 года её освятили. В феврале 1837 года в кирхе впервые зазвучал орган. В общину входили крупные промышленники, финансисты, она обладала большими средствами. Когда в середине столетия число членов общины превысило 6 тысяч, было принято решение о реконструкции храма по плану архитектора А. Майнхардта в неоготическом стиле, которое завершилось в январе 1862 года. В 1863 году на башню был поднят колокол, подаренный кайзером Вильгельмом I.
Церковь играла главную роль не только в религиозной, но и в музыкальной жизни столицы — в ней выступали известные московские и иностранные исполнители. В качестве примера приведём органный концерт Ф. Листа 4 мая 1843 года. В 1892 году приход приобрёл новый 42-х регистровых орган у известной немецкой фирмы «Э.Ф.Валькер», ставший лучшим концертным инструментом Москвы.
К началу XX века церковь святых Петра и Павла насчитывала 17 тысяч человек (14 тысяч немцев, 2 тысячи латышей, 600 эстонцев, 150 финнов и шведов). Богослужения совершались не только на немецком, но также на латышском и эстонском языках.
В связи с увеличением численности прихожан встал вопрос о перестройке церкви с целью её расширения. Церковный совет в 1903 году объявил конкурс на лучший проект здания церкви; первую премию получил В.Ф. Валькот. Но по различным причинам увидело свет архитектурной решение академика В.А. Косова — одного из проектировщиков Храма Христа Спасителя. 5 декабря 1905 года состоялось освящение церкви в качестве Кафедрального собора Московского Консисториального округа. В 1918 году собор получил статус Кафедрального собора России, а затем и всего Советского Союза.
Но в 30-х годах прошлого века в СССР начались масштабные гонения на верующих. В ноябре 1936 года пастор Александр Штрек и Церковный совет были арестованы, а службы прекращены. В 1937 году Собор передали под кинотеатр «Арктика», а затем и студии «Диафильм», произведшей перепланировку здания, в результате чего интерьер церкви был полностью уничтожен.
В начале 2000-х годов была проведена реконструкция Собора. 30 ноября 2008 года, в 1-е воскресенье Адвента, во время торжественного богослужения состоялось освящение. В январе 2010 года был восстановлен шпиль, высота которого составила 62 метра.