Одноименная деревянная церковь стояла на этом месте с 1565 года. История нового собора связана с именем Петра 1. 27 — 30 мая 1722 г., направляясь в персидский поход, Казань посетил Петр I. Это было уже третье посещение города Петром, первое состоялось в 1695 г. во время Азовского похода, второе — в 1708 г., когда в Казани было открыто адмиралтейство. Император остановился у известного казанского купца и благотворителя, владельца суконной мануфактуры, Ивана Афанасьевича Михляева, 2-этажный кирпичный дом которого находился рядом с деревянной Петропавловской церковью, стоявшей на месте современного собора. 30 мая в Казани Петр I отпраздновал свое 50-летие. В память об этом событии и в благодарность за доверие государя, отдавшему ему в управление убыточные казенные суконные мануфактуры, Иван Афанасьевич решил воздвигнуть новый великолепный собор во имя св. Петра и Павла в камне, небывалой для Казани и всего Поволжья высоты и роскоши.4 года местными силами строили церковь, за основу взяли обычный план посадского храма, каких много строили в Казани и по всей России, но не учли, что традиционная Собор сильно повреждался пожарами в 1742, 1749, 1815, 1842 годах, а в 1774-м был разграблен пугачевцами. Особенно сильно он пострадал после пожара 1815 года, когда выгорел нижний храм и северные пределы на 1-м и 2-м этажах, чудом уцелел 25-метровый иконостас главного храма, хотя и с большими утратами.После пожара 1815 г. собор был восстановлен усердием старосты — казанского купца Савелия Степановича Зайцева.После очередного пожара в 1824 году собору снова потребовалась реставрация, которая была проведена на средства следующего старосты — купца Василия Николаевича Унженина, потомки которого благодетельствовали и поддерживали храм в течение всего 19 столетия.
В 1824-25 годах иконы на железных листах, украшавшие собор снаружи были возобновлены известным казанским художником «титулярным советником, Василием Степановым, сыном Туриным». Василий Степанович также поновил некоторые иконы в иконостасе и трапезной части храма.схема храма не предполагает огромной высоты, в итоге ночью свод храма обрушился. Узнав об этом, царь прислал строителей из Москвы (предполагают, что вместе с московскими мастерами прибыли и флорентийские зодчие) и уже в 1726 году митрополит Казанский иторжественно освятил новый храм (о чём имелась соответствующая надпись на деревянном кресте, хранившемся в ризнице Петропавловского собора до переворота 1917 года.