Храм был построен в стиле классицизма. Его нижняя часть представляет собой четверик, а верхняя выполнена в виде восьмигранного барабана с круглой главкой. По бокам расположены входы-портики с треугольным карнизом и пилястрами, между которыми находятся по три круглых окна. С западной стороны к трапезной примыкает трёхъярусная колокольня с часами и невысоким шпилем. Внутри храм светлый и яркий благодаря множеству окон и нежным тонам отделки. Высокий свод создаёт ощущение простора, особенно в солнечные дни. В храме хранятся святыни: ларец с мощами апостола Павла и две иконы с частицами мощей святой Матроны Московской и святого Луки Войно-Ясенецкого. Собор появился благодаря Екатерине Великой.

В 1877 году иконостас был позолочен благодаря поддержке петербургских купцов Абатурова, Коровина, Запевалова и Баранова. Четырёхъярусный иконостас, покрытый червонным золотом и украшенный колоннами с виноградными гроздьями и листьями, долгое время поражал своей красотой. Иконы нижнего яруса были созданы придворными живописцами Екатерины Великой и отличались высоким мастерством. Стены и своды собора украшены священными изображениями работы местного художника П. А. Юрова. В алтаре над святым престолом на четырёх позолоченных столпах была устроена сень с изображением Святого Духа на своде. Из трёх окон алтаря два были закрыты изображениями апостолов Петра и Павла, выполненными на стекле заграничной работы и приобретёнными купцом Л. Ф. Абатуровым на Венской выставке. Они были вставлены в золочёные рамы и размещены в храме. Церковная утварь также представляла большую ценность. В 1870 году через Петровск прошла железная дорога, и была построена станция. Приезжих доставляли на экипажах в центр города к Петропавловскому собору и Свято-Троицкому храму за 50-80 копеек. В 1807 году северо-восточнее Петропавловского собора на средства прихожан был построен одноглавый тёплый Троицкий храм. Староста собора Фёдор Яхонтов возвёл вокруг храмов каменную ограду с четырьмя железными воротами, двумя часовнями и башнями.

После прихода к власти большевиков Троицкий храм был закрыт, каменная ограда разобрана на кирпич, а кресты с главки сбиты. Храм долго стоял без купола, пока не был разобран на кирпич. Петропавловский собор был закрыт в 1938 году. С куполов сбросили кресты, а с колокольни, колокола. Настоятель отец Геннадий Летюк был арестован и умер в тюрьме. В здании собора разместилась ремонтно-тракторная мастерская, а позже склад Комбината Бытового Обслуживания.

29 января 1991 года было принято решение о передаче храма общине. Здание оказалось сильно повреждено и захламлено металлоломом и мусором; разбирать всё это пришлось целый сезон. Снаружи храм был покрыт слоем земли более чем на полтора метра. Весь тёплый сезон 1992 года ушёл на раскопку и очистку стен. 12 июля 1993 года, в праздник Петра и Павла, состоялось первое богослужение после долгих лет.