Основание новой столицы России в устье Невы было положено закладкой на острове Заячьем Петропавловской крепости 16 (27) мая 1703 года, и Петр I «тое крепость на свое государское именование прозванием Петербург обновити указал». Почти одновременно с закладкой крепости, 29 июня, при троекратном пушечном салюте с кораблей Балтийского флота была заложена первая церковь Петербурга – маленький деревянный храм во имя святых апостолов Петра и Павла (апостол Петр – небесный покровитель Петра I). По преданию, Петр сам определил место для будущего храма, положив в центре крепости крест-накрест сложенные куски дерна.

Первоначальный деревянный храм на Заячьем острове имел форму равноконечного креста; над ним соорудили подобие купола со шпилем. По воспоминаниям современников, церковь эта была «видом крестообразная и о трех шпицах, на которых по воскресеньям и праздничным дням подымали вымпелы, расписана была под каменный вид желтым мрамором».

Новая столица рисовалась Петру похожей на Амстердам, а лаконичная и удобная голландская архитектура была избрана им образцом для постройки первых городских зданий. Возводить город Святого Петра царь пригласил нескольких иностранных архитекторов, среди которых был итальянец Доменико Трезини (ок. 1670–1734). Он родился в Швейцарии, в городе Астано. Не слишком одаренный архитектор, но хороший практик-строитель, Трезини в 1703 году работал в Дании, при дворе короля Фридриха IV. Здесь он получил приглашение в Россию, куда приехал в 1705 году, и с 1706 года начал свою деятельность в Петербурге. Несмотря на то что Трезини был по происхождению итальянцем, он долго работал при дворе датского короля и, возможно, даже учился в Северной Европе – в его творчестве очень мало итальянского, но зато очень много датско-голландского. Постройки Трезини воссоздают в первую очередь образы городов Северной Европы.

Крупнейшим сооружением раннего Петербурга и главной постройкой Трезини стал собор Петра и Павла в Петропавловской крепости (1712–1733) – уникальный памятник русской архитектуры и искусства первой половины XVIII века, до наших дней почти без изменений сохранивший свой первоначальный облик. Он был заложен 8 июня 1712 года. Первый камень в основание собора положил сам Петр I, второй – императрица Екатерина, а затем поочередно камни клали все высшие сановники, присутствовавшие на церемонии.

В облике Петропавловского собора господствует монументальная, очень выразительная по силуэту колокольня, увенчанная гигантским золоченым 34-метровым шпилем и украшенная часами. С удивительным чутьем Трезини нашел тот необходимый масштаб и неповторимый силуэт, который превратил колокольню Петропавловского собора в архитектурный символ Петербурга, без которого, кажется, уже невозможно представить облик города на Неве. Эту колокольню, свидетельствующую о величии новой русской столицы, об утверждении России на морских просторах, Петр I пожелал построить выше московской колокольни Ивана Великого. Он придавал ей особое значение и торопил мастеров с постройкой. В результате Трезини строил колокольню с бо́льшим «поспешением», чем саму церковь, законченную лишь в 1733 году. Сооружение было в основном завершено в 1718 году, а в августе 1721 года Петр с приближенными впервые поднялся на колокольню и с ее высоты любовался строящимся городом и панорамой берегов Невы и Финского залива. Камер-юнкер Ф. В. Берхгольц, бывший в то время в Петербурге, записал в своем дневнике: «Крепостная церковь… при ней колокольня в новом стиле, крытая медными, ярко вызолоченными листами, которые необыкновенно хороши при солнечном освещении».

Своим обликом Петропавловская колокольня напоминает городские ратуши прибалтийских городов. Ярус за ярусом поднимается она ввысь. Ярусы соединены завитками-волютами, создающими плавный переход от основного здания собора к высокой башне. Позже в подражание ей строились колокольни в Ярославле, Петрозаводске и других городах России. К 1724 году шпиль колокольни покрыли вызолоченными медными листами. Тогда же башне были установлены куранты, купленные Петром I, а в 1725 году шпиль увенчала фигура ангела с крестом в руке. Высота фигуры составляет более 2 метров, а общая высота колокольни со шпилем – 122 метра.

К монументальной башне вплотную примыкает здание Петропавловского собора. Как и колокольня, он построен в стиле раннего барокко. Собор представляет собой вытянутое в плане прямоугольное сооружение зального типа (длина его составляет около 60 метров, ширина – 23 метра), его стены оформлены пилястрами – четырехгранными полуколоннами и головками херувимов на наличниках окон. Храм отличают строгость и простота в планировке и наружной отделке.

Внутреннее пространство собора разделено на три нефа мощными пилонами. Интерьер собора праздничный и нарядный: просторный и светлый зал благодаря огромным окнам залит светом, стены окрашены в светлые тона, пилоны и пилястры расписаны под мрамор (хватает здесь и мрамора натурального), своды покрыты красочной росписью, архитектурные детали покрыты позолотой. Роспись храма выполнили в 1720-х годах мастера Ф. Воробьев, М. Негрубов и П. Зыбин. Всей «живописной работой» руководил «живописных дел мастер» Андрей Матвеев, а украшающие храм «каменные фигуры с разными архитектурными штуками» изготовила артель московских резчиков.

Резной иконостас Петропавловского собора изготовлен в 1721–1725 годах по рисункам известного архитектора петровской эпохи Ивана Зарудного. Выполненный в форме триумфальной арки, символизирующей победу России в Северной войне 1700–1721 годов, он был смонтирован и установлен в соборе в 1729 году.

Работы по сооружению и отделке собора были завершены только к 1733 году. Храм был освящен 29 июня 1733 года. В апреле 1756 года случилась беда: от удара молнии собор загорелся. Сгорел шпиль (его верхние конструкции были деревянными), упали колокола, от огня расплавился часовой механизм. Пламя охватило чердаки и деревянный купол. Иконостас удалось быстро разобрать и вынести, однако здание получило тяжелые повреждения, кладка стен дала трещины. В итоге собор удалось отремонтировать только через год, а соборную колокольню – красу и гордость Петербурга – вообще пришлось разобрать до окон первого яруса. В 1766 году последовал указ ее восстановить: «…делать оную точно так, какова прежняя была, понеже все прочие планы не столь красивы». Только к 1777 году храм был полностью восстановлен. Чтобы избежать подобных катастроф в дальнейшем, устроили громоотвод – «електрический отвод отвращению удара и паления, от молнии происходящего». А в 1776 году на колокольне повторно установили часы-куранты. Они были изготовлены в Голландии мастером Оортом Красом.

В 1830 году состоялось уникальное по смелости восхождение на вершину шпиля Петропавловского собора. Его осуществил 23-летний крестьянин из Ярославской губернии Петр Телушкин. Необходимо было поправить поврежденную фигуру ангела с крестом, увенчивающую шпиль, но для этого требовалось соорудить дорогостоящие леса. Петр Телушкин вызвался сделать эту работу с помощью веревочной петли. Захлестнув петлю вокруг основания шпиля и обвязавшись ей, он, держась за ребра кровельных листов, выступающих всего на 5 сантиметров, при огромном стечении народа поднялся к самому основанию креста и, сделав необходимые поправки, благополучно спустился обратно. За этот подвиг Петр Телушкин был награжден серебряной медалью «За усердие».

В 1857–1858 годах деревянные конструкции шпиля были заменены металлическими. Изготовленные на Воткинском заводе, они по частям были перевезены в Петербург; здесь их частично смонтировали на площади перед собором, а затем подняли на колокольню.

Петропавловский собор на протяжении нескольких десятилетий служил усыпальницей правящей династии. Здесь находятся гробницы всех русских императоров, начиная с Петра I, за исключением Петра II и Ивана Антоновича. Здесь же похоронены многочисленные члены царской фамилии, в том числе и сын Петра I царевич Алексей. Как «изменника дела государева» его похоронили в «низком» месте – под лестницей, ведущей на колокольню. 30 могил отмечены белыми мраморными надгробиями. Надгробие Александра II, освободителя крестьян, высечено из цельной глыбы серо-зеленой алтайской яшмы весом около 5,5 тонны, а надгробие его супруги, императрицы Марии Александровны, – из розового уральского родонита весом 6,5 тонны.

Со времен Петра I Петропавловский собор служил «залом славных торжествований», хранящим славу русского оружия. Здесь хранились многочисленные военные трофеи – знамена, оружие, ключи от взятых крепостей и городов. В начале XX века эти трофеи были переданы в различные музеи (в основном в Эрмитаж). Вместо них в собор было передано 50 копий трофейных шведских и турецких знамен. С 1924 года храм был обращен в музей и ныне наряду со всем ансамблем Петропавловской крепости входит в состав Государственного музея истории Санкт-Петербурга.