Hasta principios del siglo XIX, la propiedad donde ahora se encuentra la iglesia pertenecía a la familia Lopujin, parientes de la zarina Evdokiya, primera esposa de Pedro I. La gran casa de campo fue gravemente dañada en el incendio de 1812. En 1817, la parcela fue adquirida por la parroquia de la iglesia evangélica luterana de los apóstoles San Pedro y San Pablo, y la casa fue remodelada para convertirse en templo. La reconstrucción se llevó a cabo principalmente con fondos proporcionados por el rey prusiano Federico Guillermo III. La iglesia fue consagrada en 1819. En 1837, la iglesia recibió su primer órgano, en el que seis años después actuó Franz Liszt, ofreciendo un concierto que, según los contemporáneos, impactó profundamente a los oyentes; algunas damas lloraban, otras inhalaban éter.

A mediados del siglo XIX, cuando el número de miembros de la comunidad superó los 6000, se tomó la decisión de construir una nueva iglesia. La nueva catedral, en estilo gótico, fue diseñada por el arquitecto A. Meinhardt y se completó en enero de 1862. Para ahorrar, se utilizaron partes del antiguo edificio. Un año después, se colocó una campana en el campanario de dos niveles, donada por el káiser Guillermo I.

Pasada medio siglo, la iglesia tuvo que ser ampliada nuevamente. En 1903 se llevó a cabo un concurso arquitectónico, cuyo proyecto fue ganado por el conocido arquitecto V. Valkot. Sin embargo, el nuevo edificio, en forma de basílica de tres naves con techo a dos aguas, fue construido por el académico de arquitectura V. Kosov, utilizando parcialmente el proyecto de Valkot. La construcción del nuevo edificio en estilo neogótico comenzó alrededor del antiguo, y solo después de finalizar los trabajos se desmanteló la antigua iglesia.

El salón de la iglesia era famoso por su excelente acústica. En 1913, aquí se escucharon por primera vez las "Campanas" de Rachmaninov, y cinco años después se interpretó el réquiem de Mozart con la participación de A. Nezhdanova.

En 1918, la "Piterpaulkirche" recibió el estatus de Catedral de Rusia, y luego de la Unión Soviética. Sin embargo, pronto la iglesia fue cerrada. El edificio fue remodelado como cine "Ártico", y después de la guerra, aquí se instaló el estudio "Diafilm". Las instalaciones fueron reconfiguradas, los interiores destruidos, y el órgano se perdió. Antes del Festival Mundial de la Juventud y los Estudiantes en 1957, la aguja de la catedral fue completamente desmantelada.

En la década de 1990, la iglesia fue devuelta a los fieles y se llevaron a cabo trabajos de restauración. En 2010, se restauró la aguja. Actualmente, en la iglesia se encuentra un órgano del siglo XIX, que anteriormente perteneció a la iglesia luterana de San Miguel, destruida en 1928, en la calle Voznesenskaya (hoy Radio). Aquí se celebran regularmente conciertos de música de órgano.

El conjunto de la iglesia también incluye una capilla, construida en la década de 1890 en la parte sur del patio de la iglesia, según el proyecto de F. Shechtel.