Храм строился по канонам классицизма. Нижняя его часть — четверик, верхняя выполнена в виде восьмигранного барабана с круглой главкой. По бокам сделаны входы-портики с треугольным карнизом и пилястрами, между которых в виде окон сделаны по три круглых окна. С западной стороны к трапезной примыкает трёхъярусная колокольня с часами и невысоким шпилем. Внутри храм необычайно светлый и яркий за счёт множества окон и нежных тонов отделки. Высокий свод даёт ощущение простора, особенно в солнечную погоду. В качестве святынь здесь почитают ларец с мощами апостола Павла и две иконы с частичками мощей святой Матроны Московской и святого Луки Войно-Ясенецкого. А появился собор здесь благодаря Екатерине Великой.
В 1877 году был позолочен иконостас, благодаря щедрой поддержки петровских купцов, торговавших в Санкт-Петербурге: Абатурова, Коровина, Запевалова и Баранова. Четырёхъярусный, вызолоченный червонным золотом иконостас с колоннами, обвитыми рядами виноградных гроздьев и листьев, ещё долгое время блистал своим изяществом и красотой. Все иконы нижнего яруса были изготовлены придворными живописцами императрицы Екатрины Великой и отличались высоким мастерством. Стены и своды собора были покрыты священными изображениями работы местного живописца П. А. Юрова. В алтаре над святым престолом на четырёх позлащённых столпах была устроена сень, на своде которой было изображение Святого Духа. Из трёх окон алтаря два были закрыты изображениями святых апостолов Петра и Павла, писанные на стекле заграничной работы и приобретённые на средства купца Л. Ф. Абатурова на Венской всемирной выставке, после чего были вставлены в широкие золочёные рамы и помещены в храме. Представляла большую ценность и церковная утварь, находившаяся в соборе в большом количестве. В 1870 году через Петровск прошла железная дорога, была построена станция. С вокзала приезжих доставляли на экипажах в центр города — к Петропавловскому собору и Свято-Троицкому храму за 50-80 копеек. С северо-востока Петропавловского собора в 1807 году иждивением прихожан был выстроен одноглавый тёплый Троицкий храм. Старостою Петропавловского собора Фёдором Яхонтовым вокруг Петропавловского и Троицкого храма была выстроена каменная ограда с 4 железными воротами, двумя часовнями и двумя башнями.
После прихода к власти большевиков, Троицкий храм был закрыт, каменная ограда с башнями была разобрана на кирпич, а с главки с крестами с Троицкого храма были сбиты. Долго стоял ещё обезглавленный храм в центре посёлка, пока и вовсе не был разобран также на кирпич. Посчастливилось лишь Петропавловскому собору. В 1938 году он был закрыт. С куполов были сброшены кресты, а с колокольни — колокола. Был арестован и осуждён настоятель храма отец Геннадий Летюк, позже умерший в тюрьме. В помещении собора располагалась ремонтно-тракторная мастерская. Позже, когда было построено новое здание МТС, в здании долгое время находился склад Комбината Бытового Обслуживания, КБО.
29 января 1991 года принято решение о передаче храма в собственность общине. Здание было сильно обезображено и захламлено металлоломом и мусором; разбирать всё это пришлось целый сезон. Снаружи храм «зарос» слоем земли более чеи на полтора метра. Весь тёплый сезон 1992 года был затрачен на раскопку и очистку стен храма. 12 июля 1993 года в праздник Петра и Павла было совершено первое богослужение после долгих лет.
