Храм на берегу Ольгина пруда был выстроен в 1894—1904 годах по проекту архитектора Н. В. Султанова. Место для него определил лично император Александр III, а его строительство велось на средства Министерства Императорского Двора. Необходимость постройки этой церкви обуславливалась отсутствием в Петергофе крупного храма для рядовых жителей. Собор решен в формах русского зодчества 16—17 веков и рассчитан на 752 человек. Высота его составляет около 70 метров.
Первым с предложением о строительстве нового храма в Петергофе в 1892 году обратился заведующий придворным духовенством протопресвитер Иоанн Янышев. Просьба была вызвано тем, что, несмотря на большое количество церквей, в городе отсутствовал храм, способный вместить большое количество прихожан являвшихся рядовыми жителями.
Просьба через министра И. И. Воронцова-Дашкова дошла до Александра III, который лично определил место около Царицынского (Ольгина) пруда. На конкурс были назначены императором архитекторы Л. Н. Бенуа, Н. И. де Рошефор, А. И. Семёнов и Н. В. Султанов.
Весной 1893 года Александр III утвердил проект храма, разработанный Н. В. Султановым. В 1894 году были начаты работы по подготовке к строительству храма: вырыт котлован, устроены временные сараи и дом чертежника.
Закладка храма протопресвитером придворного духовенства Иоанном Янышевым состоялась 25 июля (6 августа) 1895 года.
Работами руководил архитектор В. А. Косяков. Строительство собора велось на средства Министерства Императорского Двора. За четыре года было возведено само здание, затем три года шли штукатурные работы, работы по отоплению и вентиляции. Последние два года производилась роспись храма, устройство иконостаса. Вокруг храма был разбит сквер. Тогда же были построены здания церковно-приходской школы, котельной и электростанции.
Освящение собора состоялось 12 (25) июня 1905 года тем же протопресвитером Иоанном Янышевым в присутствии императорской семьи.
Храм причислили к придворному ведомству. К собору была приписана находившаяся на Торговой площади каменная часовня преп. Иосифа Песнописца, построенная в 1868 году по проекту архитектора Н. Л. Бенуа (разрушенная в 1957 году).
После революции собор стал приходским храмом. В 1922—1937 годах в нём находилась кафедра епископа Петергофского Николая (Ярушевича).
В 1938 году собор был закрыт. Предполагалось разрушить храм. В 1941 году была снята облицовка глав.
Как и многие другие памятники Петергофа здание сильно пострадало во время войны. Северная часть собора была серьезно повреждена в связи с тем, что в храме находился немецкий корректировщик, следивший за передвижением советских кораблей.
После войны здание храма использовался под склад тары.
С 1972 года собор был взят на учет, а в 1974 году — под охрану государства как памятник истории и культуры. В том же году были установлены строительные леса для проектных работ, которые выполнялись архитектором-реставратором Е. П. Севастьяновым. К 1980 году были установлены купола, а к 1987 году были завершены все работы по реставрации фасадов, которые проводило Ленинградское объединение «Реставратор». Предполагалось устроить в храме музей или концертный зал.
В 1989 году собор был возвращён церкви. С 1990 года шла реставрация интерьеров собора, иконостаса.
9 июля 1994 года храм был освящён Патриархом Алексием II.
Петропавловский собор выстроен в формах русского зодчества 16—17 веков и рассчитан на 752 человек. Внешне храм имеет пирамидальную форму и увенчан пятью шатровыми главами. Его высота составляет около 70 метров.
Стены, облицованные темно-красным и светло-жёлтым кирпичом и поливными изразцами, украшены колонками из песчаника и изразцами. Апсиды оформлены глухими колончатыми аркатурами. На фасадах были помещены иконы святых — покровителей членов императорской фамилии.
