Одноимённая деревянная церковь стояла на этом месте с 1565 года. История нового собора связана с именем Петра I. 27-30 мая 1722 года, направляясь в персидский поход, Пётр I посетил Казань. Это было уже третье посещение города Петром, первое состоялось в 1695 году во время Азовского похода, второе в 1708 году, когда в Казани было открыто адмиралтейство. Император остановился у известного казанского купца и благотворителя, владельца суконной мануфактуры, Ивана Афанасьевича Михляева, двухэтажный кирпичный дом которого находился рядом с деревянной Петропавловской церковью. 30 мая в Казани Пётр I отпраздновал своё 50-летие. В память об этом событии и в благодарность за доверие государя, отдавшего ему в управление убыточные казённые суконные мануфактуры, Михляев решил воздвигнуть новый великолепный собор во имя святых Петра и Павла в камне, небывалой для Казани и всего Поволжья того времени высоты и роскоши.
4 года местными силами строили церковь, за основу взяли обычный план посадского храма, каких много строили в Казани и по всей России, но не учли, что традиционная схема храма не предполагает огромной высоты, в итоге ночью свод храма обрушился. Узнав об этом, царь прислал строителей из Москвы, предполагают, что вместе с московскими мастерами прибыли и флорентийские зодчие, и уже в 1726 году митрополит Казанский и Свияжский Сильвестр Холмский торжественно освятил новый храм, о чём имелась соответствующая надпись на деревянном кресте, хранившемся в ризнице Петропавловского собора до переворота 1917 года.
В конце 1930 года настоятель Петропавловского собора протоиерей Андрей Боголюбов был арестован за «антисоветскую деятельность», которая заключалась в обращении за финансовой помощью в 1928 году к бывшему старосте Петропавловского собора, потомственному почётному гражданину Казани Петру Васильевичу Унженину, эмигрировавшему после большевистского переворота в Китай. За помощь, которую из Харбина община получила в 1928 году, 67-летнего священника, происходившего из крестьянской семьи, коммунисты отправили в лагеря.
С 1931 года началась кампания по закрытию храма. В 1931 году на собрании группкома политпросвета выступала товарищ Шисранова, которая, ввиду острой необходимости в жилплощади вообще и под культучреждения в частности, потребовала передать собор «под клуб, читальню или библиотеку», для чего была направлена резолюция в облсовет СВБ. Уже на следующий день СВБ направило тов. Корнилова с антирелигиозной лекцией на тему «О религии и культурной революции» на макаронную фабрику, ТатСтройобъединение и кондитерскую фабрику, а в последующие дни ещё ряд организаций, агитируя за «освобождение от поповских пут той массы населения, которая еще не осознала вреда и лжи религии». Все отчеты с подобных мероприятий собирались, с тем, чтобы иметь полный пакет документов для закрытия храма.
Тем временем в Казани новая власть последовательно закрывала церкви, и Петропавловская община принимала к себе верующих из закрытых храмов, Казанско-Богородицкого монастыря, Грузинской церкви, Феодоровского монастыря. Из закрытых храмов в собор приносили иконы, утварь, хоругви, в том числе раку с частью мощей казанского святителя Варсонофия.
В 1938 году в Казани прошли массовые аресты священников, в том числе арестовали клириков Пертропавловсого собора протоиерея Василия Петровича Ивановского, служившего в РПЦ с 1908 года и диакона Ивана Федоровича Гаврилова. Вскоре Великим постом в комиссию по вопросам культов при ТатЦИКе обратился 63-летний протоиерей собора Михаил Федорович Зосимовский с просьбой к ответственному секретарю культкомиссии Мустафину «прошу культкомиссию снять меня с регистрации штатного служителя культа» ввиду «моей болезни».
В том же году КГС под грифом секретно издал постановление, «передать здание Центральному музею ТАССР под антирелигиозный музей и лекторий с установкой маятника Фуко. Общину перевести в пустующее здание Кладбищенской церкви. Настоящее постановление внести на утверждение Президиума ВС ТатАССР».
В 1939 году собор закрыли, маятник Фуко так и не установили, в храме разместили Партархив. Усыпальница храмоздателя собора купца Микляева была разграблена.
В 1964 году в нижнем Сретенском храме Петропавловского собора открыли планетарий, для чего варварски срезали связи, укреплявшие свод.
В 1967 году в верхнем храме разместили реставрационные мастерские Госмузея ТАССР. В верхнем храме перед иконостасом расположили биллиард, в алтаре «красный уголок» и конференц-зал.
В конце 80-х годов XX века совместными усилиями епархии и казанской интеллигенции удалось добиться возвращения собора Церкви. Особую роль в кампании по возвращению храма сыграл главный редактор самой влиятельной на тот момент городской газеты «Вечерняя Казань» Андрей Петрович Гаврилов. 25 июля 1989 года храм был освящён епископом Казанским и Марийским Анастасием. Церковь получила собор в руинированном состоянии, местами была сорвана кровля, выпадала кирпичная кладка. В первую очередь была отреставрирована резьба нижнего яруса иконостаса, воссозданы царские врата, исправлена кровля и устранены разрушения фасада.
