Строительство храма началось в 1620 году, сразу после разрушительных польско-литовских и шведских нашествий. Петропавловская церковь стала первой в прионежской школе шатровых церквей, а Успенская церковь в Кондопоге считается вершиной этого архитектурного стиля. Самые ранние упоминания о строительстве церкви на Лычном острове содержатся в Писцовой книге, составленной Андреем Плещеевым в 1583 году.

За долгие годы существования церковь Петра и Павла претерпела множество изменений. Например, была убрана шатровая колокольня, примыкавшая к трапезной с западной стороны, окна расширены, оба крыльца переделаны, а высота шатра увеличена. Эти изменения проводились давно, но и в XXI веке Петропавловская церковь подверглась изменениям. ЗАО «Лад», проектная организация, разработала проект реставрации церкви по инициативе Федерального агентства по культуре и кинематографии, а реставраторы из фирмы «Экситон» буквально вдохнули в храм новую жизнь. С 2002 по 2004 год проводились работы по замене сгнивших венцов с юго-восточной и северной сторон сруба. Храмовые полы и полы в трапезной были выровнены, заменены несколько бревен в восьмерике церкви, отреставрированы крыльцо и кровля, а также установлена новая главка. В результате реставрации Петропавловская церковь обрела свой исторический облик.

Архитектурный стиль церкви напоминает кондопожскую, у которой также есть восьмерик, расположенный на четверике, причем верхний ярус немного шире нижнего. Фронтальный поясок также присутствует, но у лычноостровского храма он проходит над четвериком, хотя по изяществу и красоте уступает кондопожской. Петропавловская церковь выглядит немного приземистой и непропорциональной, так как алтарный прируб очень маленький, а трапезная комната кажется массивной и обширной.

Одной из самых красивых деталей Петропавловской церкви является крыльцо, состоящее из трех частей: лестницы, нижней и верхней площадок. Верхняя площадка опирается на стеновые бревна-кронштейны. Резные столбики поддерживают кровлю крыльца и служат своеобразной фигурной рамой, характерной для типичного карельского пейзажа, которым можно насладиться с верхней площадки лестницы.

Внутренний интерьер церкви значительно отличается от интерьера кондопожской и выглядит гораздо скромнее. Внутренние декоры плохо сохранились, а некоторые иконы сильно испорчены.