Собор Святых первоверховных апостолов Петра и Павла, построенный по проекту Николая Султанова, был освящен 25 июня 1905 года протопресвитером Иоанном Янышевым в присутствии императорской семьи.
К собору, причисленному к придворному ведомству, была также приписана находившаяся на Торговой площади каменная часовня преподобного Иосифа Песнописца, построенная в 1868 году по проекту Николая Бенуа (разобрана в 1957 году).
Храм закрыли в 1938 году. После закрытия собор планировали взорвать, в преддверии чего была частично содрана облицовка собора.Но варварскому разрушению помешала начавшаяся 22 июня 1941 года война.
Как и многие другие памятники Петергофа, здание собора сильно пострадало во время войны. Северная часть собора была разрушена. Во время оккупации в храме находился немецкий корректировщик, следивший за передвижением советских кораблей. Советские войска вынуждены были вести обстрелы, чтобы сбить вражеского наблюдателя.
После войны здание храма стали использовать в качестве склада. И только в 1974 году разрушающееся здание взяли под охрану Тогда же 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 петергофская община добилась возвращения храма церкви и с 1990 года начался ремонт собора. 9 июля 1994 года храм был освящён патриархом Алексием II.