Jusqu'au début du XIXe siècle, le domaine sur lequel se trouve actuellement l'église appartenait à la famille Lopoukhines, parents de l'impératrice Evdokiya, première épouse de Pierre Ier. La grande maison de campagne a été gravement endommagée lors de l'incendie de 1812. En 1817, le terrain a été acquis par la paroisse de l'église évangélique luthérienne des saints apôtres Pierre et Paul, et la maison a été réaménagée en temple. La reconstruction a été principalement financée par le roi prussien Frédéric-Guillaume III. L'église a été consacrée en 1819. En 1837, l'église a accueilli son premier orgue, sur lequel, six ans plus tard, Franz Liszt a donné un concert qui, selon les contemporains, a eu un fort impact sur les auditeurs, certaines dames pleuraient, d'autres respiraient de l'éther.

Au milieu du XIXe siècle, lorsque le nombre de membres de la communauté a dépassé 6000 personnes, il a été décidé de construire une nouvelle église. La nouvelle cathédrale de style gothique, conçue par l'architecte A. Meingardt, a été achevée en janvier 1862. Pour économiser, des parties de l'ancien bâtiment ont été utilisées. Un an plus tard, une cloche, offerte par l'empereur Guillaume Ier, a été hissée sur le clocher à deux niveaux.

Un demi-siècle plus tard, l'église a de nouveau dû être agrandie. En 1903, un concours architectural a été organisé, dont le projet du célèbre architecte V. Valkot a remporté. Cependant, le nouvel édifice sous la forme d'une basilique à trois nefs avec un toit à deux versants a été construit par l'académicien d'architecture V. Kossov, utilisant en partie le projet de Valkot. La construction du nouveau bâtiment dans le style néogothique a commencé autour de l'ancien, et ce n'est qu'après l'achèvement des travaux que l'ancienne église a été démolie.

La salle de l'église était réputée pour son excellente acoustique. En 1913, les "Cloches" de Rachmaninov y ont été jouées pour la première fois, et cinq ans plus tard, le Requiem de Mozart a été interprété avec la participation d'A. Nezhdanova.

En 1918, la "Piterpaulkirche" a obtenu le statut de cathédrale de Russie, puis de l'Union soviétique. Cependant, peu après, l'église a été fermée. Le bâtiment a été réaménagé en cinéma "Arctique", et après la guerre, un studio "Diafilm" y a été installé. Les locaux ont été réaménagés, les intérieurs détruits, et l'orgue a été perdu. Avant le Festival mondial de la jeunesse et des étudiants en 1957, le clocher de la cathédrale a été complètement démonté.

Dans les années 1990, l'église a été restituée aux croyants, et des travaux de restauration ont été réalisés. En 2010, le clocher a été restauré. Actuellement, l'église abrite un orgue du XIXe siècle, qui appartenait auparavant à l'église luthérienne de Saint-Michel, détruite en 1928, située rue Voznesenskaya (aujourd'hui rue Radio). Des concerts de musique d'orgue y sont régulièrement organisés.

L'ensemble de l'église comprend également une chapelle, construite dans les années 1890 dans la partie sud de la cour de l'église, selon le projet de F. Shechtel.