До начала XIX века владение, где сейчас располагается кирха, принадлежало Лопухиным, родственникам царицы Евдокии, первой жены Петра I. Большой усадебный дом серьезно пострадал в пожар 1812 года. В 1817 владение приобрел приход евангелической лютеранской церкви св. апостолов Петра и Павла. Дом был приспособлен под храм. Перестройка велась в основном на средства, выделенные прусским королем Фридрихом-Вильгельмом III. Освящена кирха была в 1819 году. В 1837 в церкви появился первый орган, на котором шесть лет спустя играл Ференц Лист, дав концерт, который по свидетельству современника «очень сильно подействовал на нервы слушателей; некоторые дамы плакали, другие – нюхали эфир».

В середине XIX века в связи с ростом общины (число ее членов превысило 6000 человек) было решено строить новую церковь. Строительство нового собора в готическом стиле по проекту архитектора А. Мейнгардта (Майнхардта) завершилось к январю 1862 года. В целях экономии были использованы части прежнего здания. Через год на двухъярусную колокольню был поднят колокол, подаренный кайзером Вильгельмом I.

Полвека спустя кирху вновь пришлось расширять. В 1903 году был объявлен архитектурный конкурс, на котором первую премию получил проект известного зодчего В. Валькота. Однако новое здание в виде трехнефной базилики, перекрытой двускатной кровлей, возвел академик архитектуры В. Косов, частично использовав проект Валькота. При этом строить новое здание в неоготическом стиле начали вокруг прежнего, и только по окончании работ разобрали прежнюю кирху.

Церковный зал изначально славился прекрасной акустикой, в 1913 году здесь впервые были исполнены «Колокола» Рахманинова, пять лет спустя исполнялся реквием Моцарта с участием А. Неждановой.

В 1918 году «Питерпаулькирхе» получила статус Кафедрального собора России, а затем Советского Союза. Однако через некоторое время церковь закрыли. Здание приспособили под кинотеатр «Арктика», а после войны здесь разместилась студия «Диафильм». Помещения были перепланированы, интерьеры уничтожены, орган утрачен. Перед Всемирным фестивалем молодежи и студентов в 1957 года был полностью разобран шпиль собора.

В 1990-е годы церковь вернули верующим. Были проведены реставрационные работы. В 2010 году восстановлен шпиль. В настоящее время в кирхе находится орган XIX века, ранее принадлежавший разрушенной в 1928 году лютеранской церкви св. Михаила на Вознесенской (ныне – Радио) улице. Регулярно проходят концерты органной музыки.

В ансамбль церкви входит также часовня, построенная в 1890-е годы в южной части церковного двора по проекту Ф. Шехтеля.