Архитектурный ансамбль древнего Высоко-Петровского монастыря включает в себя разнообразные постройки XVI и XVIII веков. Первым каменным сооружением стал собор во имя Петра Митрополита, построенный архитектором Алевизом Фрязиным Новым.

Надвратная церковь, посвященная преподобному Пахомию Великому (позже переименованная в церковь Петра и Павла), была возведена в 1753-1755 годах по инициативе архимандрита Пахомия в стиле елизаветинского барокко. Предполагается, что проект разработал архитектор Д.В. Ухтомский. Церковь представляет собой восьмерик на четверике с сомкнутым восьмилотковым сводом, декоративной главкой и пятигранной апсидой. Открытое гульбище соединяет храм с Братскими кельями, построенными в конце XVII века. Основание здания включает арку проездных ворот с высоким цилиндрическим сводом и фланкирующими ее палатками. Эти белокаменные ворота принадлежали усадьбе бояр XVI века, которая в XVII веке была собственностью деда Петра I, Кирилла Полуэктовича Нарышкина. Белокаменная часть главного дома усадьбы была частично разобрана в конце XVII века, когда при строительстве Братских келий в их объем вошла "наугольная" палата дома. Декор фасадов включает сложные оконные обрамления, многопрофильные карнизы, ордерные элементы пилястр, подоконные фартуки и кронштейны из белого камня. Центральная часть украшена ордером из сдвоенных пилястр, а арка обрамлена широким архивольтом.

После разграбления храма наполеоновскими войсками в 1812 году он был упразднен. В 1914 году его переосвятили во имя Петра и Павла. В 1920-е годы монастырь закрыли, и храм утратил свое декоративное убранство. Сохранились только карнизы четверика и алтарной части.

Во время реставрации церкви в 1951-1969 годах были обнаружены первоначальные столбы и разобраны поздние закладки ворот. В верхнем ярусе разобрали трапезную и облицевали западный фасад. В 1997 году храм передали церкви.

В 2016 году проведены масштабные работы по восстановлению исторического облика церкви. Реставраторы восстановили кирпичную кладку стен, отреставрировали свод перекрытия четверика и воссоздали деревянную стропильную систему крыши апсиды. Были воссозданы штукатурный и лепной декор стен. Для окон и дверей использовали образцы столярных заполнений московского барокко середины XVIII века. При реставрации фасадов максимально сохранялись подлинные детали.