Петропавловский собор, расположенный в сердце Петропавловской крепости, является не только архитектурной доминантой ансамбля, но и ключевым историческим памятником Санкт-Петербурга. Его закладка состоялась 30 мая 1712 года, а строительство по проекту архитектора Доменико Трезини продолжалось два десятилетия — с 1712 по 1732 год. Внешний облик и внутреннее убранство собора нехарактерны для традиционного русского культового зодчества того времени. Главным украшением интерьера служит резной золоченый иконостас и надпрестольная сень, подаренные храму Петром I и Екатериной I. Этот иконостас был изготовлен в Москве по чертежам Трезини группой резчиков под руководством Ивана Зарудного. Программу иконостаса разработали лично император и архиепископ Новгородский Феофан Прокопович.
Композиция иконостаса включает пять крупных киотов, в которых размещены 43 иконы, написанные в 1726–1729 годах русскими мастерами Андреем Поспеловым и Федором Протопоповым. Эскизы для икон создал Михаил Аврамов, возглавлявший Петербургскую типографию и Рисовальную школу. Перед алтарем установлена кафедра для проповедей — в православных храмах такая практика ранее отсутствовала и была введена только при Петре I. Симметрично кафедре находится царское место — возвышение, на котором во время служб стоял император. На протяжении долгого времени собор служил памятником воинской славы России: здесь хранились трофейные знамена и ключи от городов и крепостей, взятых русскими войсками. В начале XX века эти реликвии передали в Эрмитаж, а сейчас в соборе можно увидеть копии шведских и турецких знамен.
В 1919 году Петропавловский собор закрыли, а в 1922 году его музеефицировали. Позднее, в 1954 году, он перешел в ведение Государственного музея истории Ленинграда (ныне — Санкт-Петербурга). Собор соединен галереей с Великокняжеской усыпальницей, возведенной для захоронений великих князей из дома Романовых. Иконостас и другие элементы убранства усыпальницы были утрачены. Запрестольный витраж «Воскресение Христово», выполненный по эскизу художника Николая Бруни, погиб в годы блокады Ленинграда (1941–1944). В период с 1908 по 1915 год в усыпальнице прошло пять погребений, а еще восемь захоронений были перенесены из Петропавловского собора. В 1992 году здесь похоронили правнука Александра II — великого князя Владимира Кирилловича, а в 1995 году из Кобурга перенесли прах его родителей. В 1920-е годы здание использовалось Музеем революции, в 1930–1940-е — служило складом Центральной книжной палаты, а в 1954 году его передали Государственному музею истории Ленинграда.