В 1873 году, когда был основан Брянский завод, на месте будущего храма появилась часовня. В 1879 году здесь построили молитвенный дом. В 1882 году рабочие завода начали возводить деревянный храм с каркасом из железных рельс, который был освящен в июне того же года. Однако 12 декабря храм сгорел, и его восстановили за 11 дней.

В 1894 году храм перенесли на новое место, и 15 января 1895 года он был освящен брянским благочинным отцом В.И. Поповым и свенским иеромонахом отцом Пахомием в сослужении четырех священников и двух дьяконов. В 1899 году в храме устроили Никольский придел.

В 1923 году храм закрыли, а в 1925 году передали обновленцам, после чего он стал собором Брянской и Бежицкой обновленческой епархии. В 1930 году храм снова закрыли и переоборудовали в спортклуб, убрав венчания. В 1942 году храм вновь открылся.

В 1961 году храм окончательно закрыли и разобрали в 1963 году. На его месте построили пятиэтажное кирпичное общежитие Брянского машиностроительного завода.

Улица, на которой находился храм Петра и Павла, первоначально называлась Церковной в честь храма, затем Красной, в честь визита Николая II в Бежицу в 1915 году. После революции она стала Красноармейской, а после объединения Брянска и Бежицы, улицей III Интернационала.

Петропавловский храм был небольшим и не отличался изысканностью архитектуры. Его каркас из железных рельс был обшит деревом с обеих сторон. К одноэтажной основной части с ломаной кровлей и луковичной главой на световом барабане, украшенной люкарнами, примыкали боковое помещение с крыльцом и длинная одноэтажная трапезная с шатровой колокольней.