Согласно преданию, на северной границе Старого города во время Крымской кампании 1770 года располагалась штабная палатка А. В. Суворова. Позже на этом месте построили деревянную церковь в честь святых Константина и Елены. В то время население Симферополя составляло около 1 тысячи человек, не считая военных. Храм был небольшим и вскоре не смог вместить всех прихожан. В 1801 году Святейший Синод дал разрешение на строительство новой церкви, но работы начались только в 1805 году, когда приход собрал необходимые средства. Новый деревянный храм был более просторным и строился около года. Осенью 1806 года его освятили в честь апостолов Петра и Павла. Это было небольшое прямоугольное здание с колокольней, отлитой из остатков монетного двора Ак-Мечети. Деревянная церковь славилась красивым иконостасом, но росписей в ней не было.

Спустя 20 лет церковь обветшала и была разобрана. Вскоре в городе построили Александро-Невский собор, куда перенесли колокола и утварь. Однако жители захотели возродить Петропавловский храм, и в 1866-1870 годах началось строительство нового здания. Проект разработал архитектор Константин Лазарев. Жители собрали 32 000 рублей, а Синод выделил ещё 23 000. Строительство шло быстро, но отделочные работы продолжались до 1870 года. Храм был построен в стиле классицизма с элементами древнерусского зодчества и имел великолепный иконостас. Здание было возведено в форме креста с высокой колокольней. В 1870 году собор освятили в честь апостолов Петра и Павла. В 1868 году при соборе открылись церковно-приходское попечительство и училища. В 1890 году церковный двор обнесли металлической оградой и засадили деревьями. В 1902-1903 годах художники расписали купол и стены, превратив храм в жемчужину.

В 1937 году власти запретили богослужения в соборе, а здание использовали как склад. Со временем оно пришло в аварийное состояние. В конце 1980-х годов началось восстановление собора. Архитектор Ольга Сергеева и С. Л. Белова нашли документы, по которым воссоздали купол и колокольню. В 1990-е годы реставрацией занимались альпинисты и реставраторы. 12 июля 1991 года в храме вновь провели службу. В 2003 году собор стал кафедральным собором Симферопольской и Крымской епархии. В 2004 году на стекле киота проявился отпечаток иконы, который установили для поклонения. В соборе хранятся реликвии, включая икону Пресвятой Троицы с частицей ризы Господней. В 2008 году состоялась служба в честь архиепископа Гурия Карпова. В 2016 году его мощи перенесли в Александро-Невский собор.