Идейное и композиционное ядро ансамбля Петропавловской крепости — собор Святых первоверховных апостолов Петра и Павла. Его закладка состоялась 30 мая 1712 года. Сооружение собора по проекту и под руководством архитектора Д. Трезини заняло 20 лет — с 1712 по 1732 год.
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. Иконостас был создан в Москве по рисункам Д. Трезини группой мастеров-резчиков под руководством И. П. Зарудного.
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 русскими иконописцами А. Поспеловым и Ф. Протопоповым. Эскизы икон выполнил М. Аврамов, организатор и директор Петербургской типографии и Рисовальной школы.
Перед алтарем установлена кафедра для произнесения проповедей. В православных церквях практика чтения проповедей прежде не существовала. Впервые она была введена в царствование Петра I.
Симметрично кафедре находится царское место — помост, где во время богослужения стоял император.
Долгое время Петропавловский собор являлся памятником славы русского оружия. Здесь на протяжении двух столетий хранились трофейные знамена, ключи от захваченных русскими войсками городов и крепостей. В начале XX века эти реликвии были переданы в Эрмитаж. Теперь в соборе представлены копии шведских и турецких знамен.
В 1919 году Петропавловский собор был закрыт, музеефицирован в 1922 году, впоследствии (1954) передан Государственному музею истории Ленинграда (Санкт-Петербурга).
Собор соединен галереей с Великокняжеской усыпальницей, построенной для погребения великих князей — членов императорского дома Романовых.
Иконостас и другие элементы внутреннего убранства Усыпальницы утрачены. Запрестольный витраж «Воскресение Христово», выполненный по эскизу художника Н. А. Бруни, погиб во время блокады (1941–1944).
В 1908–1915 годах в Усыпальнице состоялось пять погребений и восемь захоронений были перенесены из Петропавловского собора. В 1992 году здесь был погребен правнук Александра II — великий князь Владимир Кириллович, в 1995 году из Кобурга сюда перенесен прах его родителей.
В 1920-е годы здание находилось в ведении Музея революции, в 1930–1940-е — приспособлено под склад Центральной книжной палаты, в 1954-м передано Государственному музею истории Ленинграда.
