Петропавловский храм Свято-Троицкого монастыря был заложен в 1726 году при жизни святителя Филофея, митрополита Тобольского, у южной стены. Вдохновением для строительства послужила церковь на экономических вратах Киево-Печерской Лавры. Святитель Филофей стремился таким образом увековечить день именин императора Петра, которого глубоко уважал. Император также почитал великого Сибирского святителя.

Строительство храма началось только в 1733 году. В соборной книге монастыря, которая хранится в фондах, содержатся обращения священноначалия к жителям Тюмени с просьбой о пожертвованиях на завершение строительства каменной церкви, известной как Двунадесяти апостол, а также на возведение колокольни и ограды. Эти работы были начаты стараниями и средствами святителя Филофея, митрополита Тобольского и Сибирского.

Строительство возобновилось благодаря пожертвованиям, но в 1736 году было приостановлено, так как большинство каменщиков по распоряжению Сибирской губернской канцелярии были отправлены за Урал для других работ. Архимандрит Зиновий обратился с жалобой к митрополиту Антонию Стаховскому, обвиняя Фому Фелисова в том, что он лишил монастырь строителей, но вернуть мастеров не удалось.

В 1760 году церковь была объединена с колокольней корпусом одноэтажной ризницы и двухэтажного духовного правления. В 1770 году был надстроен второй этаж ризницы. Петропавловский храм освятили 30 августа 1755 года по грамоте митрополита Сильвестра Головатского. Пятиглавая Петропавловская церковь, высотой около 36,56 м и шириной 22 м, часто называлась крестообразной из-за своей формы, напоминающей равноконечный крест. После завершения строительства в 1775 году в монастыре не велось крупных каменных работ, а проводился лишь ремонт и обновление существующих зданий.

В 1842 году в Тюмени произошел крупный пожар, уничтоживший около 200 домов возле монастыря. Петропавловская церковь пострадала так сильно, что от нее остались только каменные стены. Настоятель монастыря Архимандрит Владимир на пожертвования благотворителей провел капитальный ремонт как Петропавловской церкви, так и Троицкого собора.

В 1923 году Петропавловская церковь была закрыта. С 1934 года здание находилось в ведении Народного комиссариата. В 1960 году в нем размещались мастерские худфонда и филиалы областного краеведческого музея.

19 августа 2003 года церковь была передана Тобольско-Тюменской епархии. В настоящее время в храме проводятся богослужения.