Документы ЦГА УР не содержат сведений о строительстве первой Покровской церкви, но известно, что в начале XVIII века существовала Покровская церковь, пристроенная к храму в честь Святого Леонтия Ростовского. По храмозданной грамоте, выданной епископом Варфоломеем 6 октября 1767 года, в Сарапульской дворцовой слободе вместо старой церкви построили новую деревянную церковь, которую 15 марта 1770 года освятили в честь Покрова Пресвятой Богородицы. Однако в ночь на 9 июня 1776 года она сгорела вместе с Леонтиевской церковью.

2 июля 1776 года епископ Лаврентий выдал грамоту на строительство новой деревянной Покровской церкви. Через девять лет она также сгорела. 5 августа 1785 года была выдана новая грамота на строительство каменной Покровской церкви с приделом в честь Леонтия Ростовского. Церковь строилась на средства прихожан и была завершена в 1788 году. В ней было три престола: главный, в честь Покрова Пресвятой Богородицы, освящен в 1873 году, правый, в честь Святого Николая Чудотворца, освящен 9 ноября 1791 года, и левый, в честь Святых мучеников Флора и Лавра. Название церкви дало имена трем улицам города: Больше-Покровская, Мало-Покровская и Никольская.

В 1822 году на средства купца Стефана Ивановича Вечтомова построили каменную колокольню, в нижнем ярусе которой был устроен храм, освященный 2 июля 1882 года в честь святых Апостолов Петра и Павла.

К 1854 году к приходу Покровской церкви относились жители нескольких деревень, а к 1916 году к ней были приписаны часовни в Усть-Сарапуле, Сигаево, Костине, Лубянке, Непряхе и одна домовая церковь при богадельне Н.В. Смагина.

В 1902 году храм и колокольню отремонтировали на средства купца Николая Васильевича Смагина и его жены Анны Васильевны. Через три года они же финансировали расширение Петропавловской церкви по проекту архитектора И.А. Чарушина, добавив трапезный храм с двумя боковыми приделами: в честь Преподобного Серафима Саровского Чудотворца, освящен 27 ноября 1905 года, и в честь Сретения Господня, освящен 26 ноября 1906 года.

Документы о закрытии Петропавловской церкви отсутствуют, но известно, что она была закрыта 23 мая 1932 года по распоряжению Удмуртского облисполкома и переоборудована в хлебопекарню.

В конце XX века при приватизации Сарапульского хлебокомбината храмовый комплекс был передан Русской Православной Церкви. В 2010-2012 годах проводилась реставрация, финансируемая ОАО НК «Русснефть». На открытии 11 октября 2012 года присутствовали Митрополит Ижевский и Удмуртский Николай, Президент Удмуртской Республики Александр Волков и президент ОАО НК «РуссНефть» Михаил Гуцериев. В 2014 году начались росписи интерьеров собора на средства В.А. Уланова.