Сведений о строительстве первой Покровской церкви по документам ЦГА УР не обнаружено, но известно, что в начале XVIII века существовала Покровская церковь, пристроенная к другой церкви в честь Святого Леонтия Ростовского. По храмозданной грамоте, выданной Преосвященным Варфоломеем, епископом Вятским и Великопермским, 6 октября 1767 года, была построена в Сарапульской дворцовой слободе вместо ветхой церкви вновь деревянная церковь и 15 марта 1770 года по указу Вятской духовной консистории освящена в честь Покрова Пресвятой Богородицы. В ночь на 9 июня 1776 года церковь сгорела вместе с Леонтиевской.
2 июля 1776 года епископом Вятским и Великопермским Лаврентием была выдана храмозданная грамота на строительство небольшой деревянной Покровской церкви. Через 9 лет вновь построенную церковь постигла та же участь. 5 августа 1785 года Вятской духовной консисторией вновь выдана храмозданная грамота на строительство каменной Покровской церкви с приделом в честь Леонтия Ростовского. Строительство церкви велось на средства прихожан, закончилось в 1788 году. В каменной церкви было устроено 3 престола: главный – в честь Покрова Пресвятой Богородицы, освящен в 1873 году, правый – в честь Святого Николая Чудотворца, освящен 9 ноября 1791 года и левый – в честь Святых мучеников Флора и Лавра. Название церкви отразилось в наименованиях трех близлежащих улиц города: Больше-Покровская, Мало-Покровская и Никольская.
В 1822 году на пожертвования сарапульского купца Стефана Ивановича Вечтомова была построена каменная колокольня, в нижнем ярусе которой “усердием прихожан” устроен храм, освященный 2 июля 1882 года в честь святых Апостолов Петра и Павла.
В 1854 году к приходу Покровской церкви, кроме городского населения, относились жители д. Усть-Сарапулка, д. Непряха, д. Подгоры, д. Костина, д. Сигаево, д. Мыльниково, д. Лубянки, д. Юшково. На 1916 год к Покровской церкви были приписаны часовни: Усть-Сарапульская, Сигаевская, Костинская, Лубянская, Непряхинская, в г. Сарапуле и одна домовая церковь при богадельне Н.В. Смагина.
В 1902 году храм и колокольню отремонтировали на средства сарапульского купца Николая Васильевича Смагина и его жены Анны Васильевны. Через 3 года на их же средства Петропавловскую церковь, по проекту архитектора И.А. Чарушина, расширили, пристроив трапезный храм, в котором устроили 2 боковых придела: в честь Преподобного Серафима Саровского Чудотворца, освящен 27 ноября 1905 года, и в честь Сретения Господня, освящен 26 ноября 1906 года.
Документов о закрытии Петропавловской церкви по документам ЦГА УР не обнаружено. Церковь закрыта по распоряжению Удмуртского облисполкома от 23 мая 1932 года. Здание переоборудовано в хлебопекарню.
В конце XX века при приватизации Сарапульского хлебокомбината храмовой комплекс был передан Русской Православной Церкви. В 2010-2012 годах проводились реставрационные работы, финансируемые ОАО НК «Русснефть». В церемонии открытия 11 октября 2012 года одного из главных православных храмов Удмуртии приняли участие Митрополит Ижевский и Удмуртский Николай, Президент Удмуртской Республики Александр Волков и президент ОАО НК «РуссНефть» Михаил Гуцериев. В 2014 году начались росписи внутренних интерьеров собора на средства В.А. Уланова.
