16 (27) мая 1703 г. царь Петр Первый заложил на небольшом Заячьем острове (по-фински Яниссаари) в дельте Невы крепость, которую назвал в честь своего небесного покровителя Санкт-Петербургом. Летом 1703 года на болотистом острове был воздвигнут земляной вал, а посредине острова вместе с другими зданиями построили деревянную церковь во имя святых апостолов Петра и Павла. Полтавская победа 1709 года, как выражался сам Петр Великий, "камень основания Невского города утвердила". После этого Петербург, став столицей России, начал застраиваться великолепными зданиями. В мае 1712 года, в день своего рождения, на том самом месте, где стояла деревянная церковь, Петр в присутствии многих Высочайших Особ заложил каменный собор. Строительство собора продвигалось весьма быстро, так как им лично руководил Петр I. Архитектором был назначен швейцарский инженер Доменико Трезини (1670-1734). Через восемь лет после закладки наружные работы были закончены. В 1720 г. из Голландии были выписаны часы с курантами за огромные по тому времени деньги - 45 000 руб. В 1723 году на собор был установлен шпиль. Создание иконостаса император поручил архитектору Зарудному. По его чертежам и под его руководством над созданием иконостаса работали московские художники Т.Иванов и И.Телега. Иконостас делали четыре года (1722-1726 гг.).
Вероятно, уже вскоре после закладки собора, Петр I решил превратить его в усыпальницу, по примеру первого христианского императора Константина, построившего в IV веке в новой столице своей империи Константинополе церковь Святых Апостолов с намерением превратить ее в свой мавзолей и усыпальницу всей династии. В VI веке король франков Хлодвиг построил базилику Апостолов Петра и Павла, также ставшую его усыпальницей.
На протяжении двух столетий в Петропавловском соборе были похоронены почти все российские императоры от Петра I до Александра III (за исключением лишь Петра II, скончавшегося в Москве и похороненного в Архангельском соборе Кремля, а также Иоанна VI Антоновича, убитого в Шлиссельбургской крепости) и многие члены императорской фамилии. До того всех Великих московских князей, начиная с Юрия Данииловича - сына Великого князя Даниила Московского и русских царей - от Ивана Грозного до Алексея Михайловича - хоронили в Архангельском соборе московского Кремля (за исключением Бориса Годунова, который был погребен в Троице-Сергиевой Лавре). Первой, в еще деревянной церкви Апостолов Петра и Павла, была похоронена полуторагодовалая дочь Петра I Екатерина, скончавшаяся летом 1708 года.
Строительство каменного собора еще не было завершено, как в нем произвели и другие захоронения. Летом 1715 года здесь похоронили еще двух малолетних дочерей Петра - Наталью и Маргариту, зимой того же года - царицу Марфу Матвеевну (урожденную Апраксину), супругу царя Федора Алексеевича. Захоронения продолжились в январе 1717 г. со смертью малолетнего сына Петра - Павла, а летом 1718 года здесь был похоронен царевич Алексей Петрович (1690-1718), старший сын Петра от первой жены Е.Ф. Лопухиной, приговоренный верховным судом к смертной казни за антигосударственную деятельность. По существующей версии он был задушен приближенными Петра I в Петропавловской крепости. Через 5 лет, в марте 1723 г., в соборе похоронили и опальную сестру Петра I Марию Алексеевну. Могилы царицы Марфы Матвеевны и царевича Алексея находятся в приделе св. Екатерины, у западных дверей под колокольней.
Петр I вводит новый церемониал похорон, заимствованный, большей частью, из подобных церемониалов немецких княжеств. Оставив без изменения православный чин погребения, он придал церемониалу характер большей светскости, пышности и торжественности. В новом обряде монашеский постриг императором уже не принимался. По смерти императора или императрицы при дворе объявлялся траур сроком на один год, великого князя или княгини - на три месяца. Дамы должны были при дворе появляться в черных платьях, мужчины - с траурными повязками на рукаве. Для организации похорон указом императора создавалась "Печальная комиссия", которую возглавляли высшие придворные чины. Она занималась организационными вопросами, связанными с подготовкой собора к погребению, выработкой церемониала похорон и т.п.
Сюда же, в недостроенный еще Петропавловский собор, 8 марта 1725 г. было перенесено и тело почившего 28 января Петра Великого. Внутри собора, по проекту Д. Трезини, была сделана временная деревянная церковь. Туда, с пышной церемонией, перенесли тела Петра I и его дочери Натальи, скончавшейся 4 марта. Оба плотно закупоренных гроба были установлены на катафалке под балдахином, обитом золотой тканью. Летом 1727 года там же поставили и гроб с телом его жены, императрицы Екатерины I, умершей 6 мая. В мае 1731 года императрица Анна Иоанновна повелела предать земле прах Петра I и его супруги. Погребение "происходило с особенно учрежденной церемонией 29 мая в субботу, в одиннадцатом часу утра. При этом присутствовали господа от генералитета и Адмиралтейства и многие коллежские чины. Во время поставления гробов в преуготовленное нарочно к тому Императорское кладбище, с крепости произведен пятьдесят один выстрел". Точная дата предания земле праха дочери Петра I неизвестна.
В 1733 г. внутренняя отделка собора была полностью завершена. 28 июня, накануне праздника св. апостолов Петра и Павла, собор был освящен в присутствии самой Императрицы и Императорского двора. Таким образом, Петропавловский собор строился в течение 19 лет (1712-1733) при внимательном попечении о его строительстве Петра I, Екатерины I, Петра II и Анны Иоанновны. Стены собора были украшены трофейными штандартами, взятыми в боях у неприятеля. Особенно знаменит из них адмиральский турецкий флаг, взятый у турков в 1770 г., во время Чесменской битвы. В 1772 г. флаг этот Екатерина II собственноручно возложила на гробницу основателя русского флота императора Петра I. В 1855 г. знамена эти были драпированы архитектором Монферраном и укреплены на колоннах и стенах собора в резных деревянных позолоченных тумбах.
В течение XVIII - первой трети XIX в. Петропавловский собор был местом захоронения, как правило, лишь коронованных особ. Остальных членов императорской семьи хоронили в Благовещенской церкви Александро-Невской лавры и других местах. С 1831 года, по повелению Николая I, в соборе стали хоронить также великих князей, княгинь и княжон. В XVIII веке, как и ранее, коронованных особ хоронили в сороковой день (исключение составили лишь похороны императрицы Екатерины I). В XIX веке это правило не соблюдалось. В XVIII - первой трети XIX веков императоров и императриц хоронили в золотой короне. Тела их бальзамировали, сердце (в специальном серебряном сосуде) и остальные внутренности (в отдельном сосуде) захоранивали на дне могилы за день до начала погребальной церемонии.
В первой половине XVIII века над местами захоронений ставили надгробия, сделанные из белого алебастрового камня. В 1770-е годы, при реставрации и перестройке собора, их заменили на новые, сделанные из серого карельского мрамора. Надгробия покрывались зеленым или черным сукном с нашитыми по верху гербами, а по праздникам - золотой парчой, обложенной горностаем. В середине XIX века появляются первые надгробия, сделанные из белого итальянского (каррарского) мрамора. В 1865 г. по указу Александра II, надлежало все надгробия, "кои пришли в ветхость или сделаны не из мрамора, сделать из белого, по образцу последне исполненных". По проекту арх. А.А. Пуаро были сделаны пятнадцать надгробий из белого итальянского мрамора. Их установили на могилах Петра I, Екатерины I, Анны Петровны, Анны Иоанновны, Елизаветы Петровны, Петра III, Екатерины II, Павла I, Марии Федоровны, Александра I, Елизаветы Алексеевны, Константина Павловича, Александры Максимилиановны, Александры Михайловны и Анны Михайловны. Надгробия имеют форму четырехугольной призмы, на верхней крышке которой лежит большой бронзовый крест, вызолоченный червонным золотом. В головах, на боковой стенке, прикреплены бронзовые доски с обозначением имени погребенного, титула, даты и места рождения и смерти, даты погребения. На надгробиях императоров и императриц, помимо креста, по углам помещены еще четыре бронзовых герба Российской империи. На доске писалась также и дата вступления на престол. После установления надгробий в 1867 г. последовал указ об отмене всех покровов на них. В те же годы было решено укрепить на стенах девять бронзовых досок вблизи тех могил, над которыми надгробий не было. Это могилы пяти малолетних детей Петра I, его сына царевича Алексея, сестры Марии Алексеевны, невестки Шарлотты-Христины и царицы Марфы Матвеевны. В 1887 году Александр III повелел заменить беломраморные надгробия на могилах своих родителей Александра II и Марии Александровны на более богатые и нарядные. Для этого были использованы монолиты зеленой алтайской яшмы (для Александра II) и розового уральского родонита (для Марии Александровны). Изготовление надгробий (по эскизам архитектора А.Л. Гуна) шло на Петергофской гранильной фабрике в течение 18 лет. Установлены в соборе они были в феврале 1906 г.
К концу XIX века в Петропавловском соборе было 46 захоронений и практически уже не оставалось места для новых погребений. Поэтому в 1896 году рядом с собором по разрешению императора было начато строительство Великокняжеской Усыпальницы, официально именовавшейся Усыпальницей членов императорской фамилии, или Новой Усыпальницей при Петропавловском соборе. Строилась она с 1896 по 1908 год по проекту архитектора Д.И. Гримма при участии А.О. Томишко и Л.Н. Бенуа. 5 ноября 1908 года только что построенное здание Усыпальницы было освящено. Через три дня после этой церемонии состоялось первое захоронение - у южной алтарной части был погребен сын Александра II, великий князь Алексей Александрович. В 1909-1912 гг. в Усыпальницу из собора был перенесен прах нескольких членов царской семьи. При этом перезахоронение занимало несколько дней, так как склепы в Усыпальнице были меньше переносимых из собора ковчегов. Великокняжеская усыпальница рассчитана на 60 захоронений. С 1908 по 1915 гг. в ней были погребены 13 членов императорской фамилии, восемь из которых были перенесены из Петропавловского собора. В отличие от собора, в Усыпальнице не было надгробий. Могила закрывалась вровень с полом беломраморной плитой, на которой были выбиты титул, имя, места и даты рождения и смерти, дата погребения.
Особое положение Петропавловского собора вносило существенные коррективы в его церковную деятельность. Здесь никогда не совершались такие христианские таинства, как крещение и венчание. Обряд отпевания совершался только над усопшими членами императорской фамилии, и лишь в отдельных случаях делались исключения для комендантов крепости, которых хоронили на Комендантском кладбище у соборной стены.
К 1917 году в Петропавловском соборе на стенах, колоннах и у могил находилось более тысячи венков. Практически на каждой могиле и около нее стояли иконы и лампады. На надгробиях Петра I, Александра I, Николая I и Александра II лежали золотые, серебряные и бронзовые медали, выбитые по случаю различных юбилейных дат. В сентябре - октябре 1917 года по распоряжению Временного правительства все иконы и лампады, золотые, серебряные и бронзовые медали с могил, золотые, серебряные и фарфоровые венки были сняты, уложены в ящики и отправлены в Москву. Дальнейшая судьба вывезенных соборных ценностей неизвестна.
14 мая 1919 года по распоряжению коменданта Петропавловской крепости собор и Усыпальница были закрыты и опечатаны. 21 апреля 1922 года было произведено изъятие остатков церковных ценностей для помощи голодающим. Оно происходило в присутствии коменданта крепости, ктитора собора, представителя Главмузея и заведующего имуществом собора. В 1939 году вскрывалась могила великой княгини Александры Георгиевны, супруги сына Александра II великого князя Павла Александровича (он был расстрелян в 1919 году). Она была урожденной принцессой Греческой, и ее прах, по просьбе греческого правительства, был передан на родину.
Судьба Великокняжеской Усыпальницы сложилась иначе. В декабре 1926 года комиссия, обследовавшая здание, пришла к выводу, что "все бронзовые украшения, а также решетки алтарной части, как не представляющие исторической и художественной ценности, подлежат переплавке". Украшения были сняты, и дальнейшая судьба их неизвестна. После Великой Отечественной войны в здании некоторое время располагался склад бумажной фабрики. В 1954 году Усыпальница была передана Музею истории Ленинграда. В 1960-е годы, после проведения ремонтно-реставрационных работ, в здании Усыпальницы открылась экспозиция "История строительства Петропавловской крепости". Ее демонтировали в мае 1992 года в связи с захоронением правнука Александра II, великого князя Владимира Кирилловича и началом реставрационных работ.
С 1915 г., когда в усыпальнице был погребен Великий князь Константин Романов, до 1992 года в Петропавловском соборе захоронений по понятным причинам не производилось. В 1992 году в Великокняжеской усыпальнице был погребен Великий князь Владимир Кириллович, умерший в Майами. А в 1995 г. рядом с ним обрели последнее место своего упокоения и его родители - здесь прошло перезахоронение останков Великого князя Кирилла Владимировича и Великой княгини Виктории Федоровны, прежде похороненных в Саксен-Кобурге в Германии. В июле 1998 года в Петропавловском соборе состоялось захоронение останков ныне причисленных к лику святых страстотерпцев императора Николая Второго и его семьи. Для проведения сравнительной генетической экспертизы в 1994 году потревожили прах одного из братьев Николая II. Это был лишь второй случай вскрытия могилы в Петропавловском соборе. Подлинность останков Николая II и членов его семьи - слишком спорный вопрос. Русская православная церковь их так и не признала, приведя, в числе других, и такой аргумент - за несколько лет возле "святой" могилы не случилось никаких чудес исцеления.
С 1999 года велись переговоры о перезахоронении в Петербурге останков императрицы Марии Федоровны, скончавшейся в 1928 году в Копенгагене (где она жила, покинув Россию) и погребенной в крипте усыпальницы Датского королевского дома в Роскильде под Копенгагеном. В 2004 году было принято окончательное решение о проведении церемонии перезахоронения останков Марии Федоровны рядом с могилой ее мужа - императора Александра III. Эта церемония состоялась в соборе 28 сентября 2006 года.