Согласно историческим данным, монастырь на этом месте существовал уже в XVI веке и был разрушен литовцами. По наиболее распространённой версии, его основал митрополит Суздальский Иларион как мужской монастырь, но со временем он пришёл в упадок. Долгое время монастыря здесь не было.

В XVII веке на этом месте была построена деревянная приходская церковь Петра и Павла, которая около двух столетий находилась под угрозой закрытия и сноса. В начале XIX века церковь стояла на кладбище. В 1825 году жители Юрьева-Польского обратились в губернское правление с просьбой снести ветхую Петропавловскую церковь. Храм передали Михайло-Архангельскому монастырю, и в 1830 году по указу Святейшего синода церковь снесли. Некоторое время здесь была пустошь, которую передали крестьянам соседнего села Федосьина. Юрьевский купец Петр Бородулин выменял эту землю у крестьян и решил восстановить храм. 16 мая 1843 года Святейший синод разрешил строительство каменной церкви. В том же году началось строительство большого храма во имя апостолов Петра и Павла. Однако храм оставался без прихода почти двадцать лет. В 1871 году пожар уничтожил женский Введенский монастырь, и монахини получили разрешение занять Петропавловскую церковь, которая стала соборным храмом монастыря. По указу Святейшего синода от 26 января 1874 года обитель стала называться Петропавловской. В это же время была построена Успенская тёплая церковь в неорусском стиле.

В конце XIX века игумения Клавдия построила пятиярусную колокольню в неорусском стиле. Она также открыла богадельню и школу для девочек, где преподавали Закон Божий, письмо, арифметику, грамоту, шитьё и рукоделие. В 1920-х годах монастырь был упразднён, а в 1925 году все колокола продали на цветной металл. Петропавловский собор и Успенский храм были разорены, разрушены их главы и своды, частично стены.

27 мая 2010 года по благословению архиепископа Суздальского и Владимирского Евлогия началось возрождение Петропавловского женского монастыря, который стал подворьем Никольского женского монастыря. Комплекс находился в плохом состоянии, вокруг были груды мусора и деревья. Восстановление началось с кладбищенской церкви Вознесения, так как её стены лучше сохранились и была свободная земля для строительства келий. Первые две насельницы жили в городской квартире и приходили в обитель молиться и работать, так как на тот момент свой храм ещё не был готов.

15 октября 2010 года Петропавловский собор и колокольня были переданы Владимирской епархии Русской православной церкви. 22 октября 2015 года Священный синод постановил открыть Петропавловский женский монастырь и назначил игуменией монахиню Серафиму.

В ноябре 2018 года журнал «Фома» описал жизнь монастыря: «нет белоснежных стен, вместо колоколов людей на службу собирает обрезок газового баллона, под храмом нет толпы паломников, а постройки училища стоят вперемешку с монастырскими. В монастыре живут три монахини с собакой. Туалет на улице, потому что в доме не хватает денег; крестный ход состоит из одной монахини, обходящей территорию монастыря».

В июне 2019 года по инициативе полномочного представителя президента России в ЦФО Игоря Щёголева была создана рабочая группа для помощи в возрождении Петропавловского женского монастыря.