Петропавловский собор, безусловно, является ценнейшим архитектурным памятником, и одним из духовных символов Казани. Построенный на возвышенном месте, красивый и величественный, собор отличается уникальным убранством. Композиция храма и колокольни выполнена в стиле так называемого Русского или «Нарышкинского» барокко, распространенного в России в конце 17,— первой половине 18 века. Неповторимый облик собору придает, в первую очередь, декор, обилие сохранившихся до наших дней фасадных деталей и их яркая раскраска. К сожалению, имена строителей храма остались неизвестны. Многие искусствоведы указывают на сходство декора с орнаментальным украшением храмов, строившихся в первой половине 18 века на Украине. Возможно, храм действительно строили малороссы, но Петропавловский собор не является простой механической копией какого-то стиля, многое в его облике уникально, и является плодом внестилевых пристрастий.
Собором восхищались все гости Казани. Здесь бывали все Российские императоры и императрицы, начиная с Екатерины II, государственные общественные деятели, писатели, в том числе, А.С.Пушкин. Описание собора содержится в сочинениях Александра Гумбольдта и Александра Дюма. В казанский период своей жизни в соборе за богослужением нередко пел Федор Иванович Шаляпин. Между тем, собор был обычным приходским храмом. Построен он на месте находившейся здесь древней Петропавловской церкви, первое упоминание о которой относится к 1565 году. Прихожанином этого храма был крупнейший казанский купец Иван Афанасьевич Михляев, дом которого находился рядом с храмом. Он и сейчас, несмотря на то, что был сильно перестроен, сохранился и стоит во дворе собора.
История строительства нового каменного величественного храма связана с посещением Казани императором Петром I, направлявшимся в персидский поход. Прибыв в город 27 мая 1722 года, император остановился в доме Михляева. В память об этом событии Иван Афанасьевич решил вместо небольшой деревянной церквушки построить каменный двухэтажный собор. Закладка храма состоялась в 1723 году. Долгое время в Казани бытовала легенда, согласно которой в закладке собора принимал участие сам император Петр I, однако документально это не подтверждается. Храм, по тем временам, строился очень быстро, и уже в 1726 году состоялось его освящение. В том же году была построена отдельно стоящая колокольня. Под колокольней был устроен фамильный склеп семьи Михляевых, где в 1728 году был погребен строитель собора Иван Афанасьевич. Главный летний храм, разместившийся на втором этаже, был освящен во имя святых Первоверховных апостолов Петра и Павла. Теплый храм на первом этаже — в честь Сретения Господня. Два небольших придельных храма на первом и втором этажах освятили в честь чудотворных икон Божией Матери: верхний — «Живоносного Источника», нижний — «Неопалимой Купины». В 1850 году архитектурный облик собора дополнила изящная ограда, построенная по проекту известного архитектора Михаила Петровича Коринфского.
Огромная заслуга в том, что в Казани сохранился такой великолепный храм, принадлежит не только строителям собора, но и его старостам и духовенству более позднего времени. Дело в том, что за свою долгую историю храм неоднократно подвергался частичному разрушению, виной чему были многочисленные пожары 1742, 1749, 1774, 1815, 1842 годов. Особенно сильно собор пострадал в 1815 году, когда из-за сильных разрушений приход вынужден был на девять лет переместиться в расположенную неподалеку Гостиннодворскую церковь. В 1824-25 годах была произведена реконструкция храма, осуществленная за счет средств соборного старосты, казанского купца Саввы Степановича Зайцева, — деда выдающегося ученого-химика Александра Михайловича Зайцева. С 1841 года, почти целое столетие, старостами собора избирались представители другой знаменитой купеческой семьи — Унжениных. К 1880 годам собор сильно обветшал, основной причиной этого было разрушение фундамента, а колокольня даже стала крениться, потеряли первоначальный облик многие детали декора. Староста Петр Васильевич Унженин и настоятель собора, протоиерей Петр Малов, организовали в 1888-90 годах масштабную реконструкцию храма. Проект реконструкции составил архитектор Михаил Нилович Литвинов, архитектор Казанского университета, бывший впоследствии смотрителем здания Храма Христа Спасителя в Москве. Он скрупулезно, по детальным рисункам и чертежам, восстановил первоначальный облик собора. В ходе реконструкции были разобраны и вновь выстроены придельные храмы, паперти, лестницы, под колокольню подведен новый фундамент, восстановлена уникальная лепнина фасадов. В это же время на колокольне были установлены часы известного мастера Петра Ионовича Климова. Эти работы стали одним из первых в России примеров высокопрофессиональной реставрации памятников архитектуры. Благодаря этой реконструкции собор сохранился до наших дней практически в первозданном виде.
В советское время собор продолжал действовать до 1939 года, после закрытия он официально считался памятником архитектуры, охраняемым государством. С 1950-х по 1980-е годы здесь размещался планетарий. В 1989 году, благодаря трудам недавно рукоположенного епископа Казанского и Марийского Анастасия, и активности верующих, храм был возвращен Церкви. Несмотря на то, что в течение пятидесяти лет храм был закрыт для богослужений, в нем сохранился древний семиярусный иконостас, богато украшенный, в традициях русского барокко. Иконостас был изготовлен в 1723-1726 годах, но после пожара 1815 года был обновлен художником Василием Туриным.
Среди главных святынь Петропавловского собора — чудотворная Седмиозерная икона Божией Матери, переданная в собор из церкви Ярославских чудотворцев на Арском кладбище г. Казани, где долгие годы хранилась, будучи спасена исповедником иеросхимонахом Серафимом (Кошуриным), после закрытия в 1928 году Седмиозерной пустыни.
Седмиозерная икона Божьей Матери была принесена в Казанский край из Устюга 13 октября 1615 года основателем Седмиозерной Богородицкой пустыни, Монахом Евфимием. Он благословил этой иконой место будущей обители. В 17 веке Седмиозерная икона прославилась великими чудесами, когда в 1654-55 году свирепствовавшая по всей России моровая язва достигла Казани. В очень короткое время умерла большая часть населения города — 48 тысяч человек. В самый разгар морового поветрия одной благочестивой монахине во сне было видение: ей предстал светлый муж и повелел передать жителям города, чтобы они установили семидневный пост, и принесли в город икону Божией Матери из Седмиозерной пустыни. Когда с почестями икона была встречена казанцами и поставлена в храме, моровая язва стала прекращаться, и вскоре совсем отступила, после чего икона была возвращена в обитель. В 1688 году при митрополите Казанском и Свияжском Адриане, будущем Патриархе Всероссийском, на месте встречи иконы был устроен монастырь в честь Введения во храм Пресвятой Богородицы. Вторично Пресвятая Богородица через свою чудотворную икону избавила город от чумы в 1771 году. В память о явленных Богородицей чудесах в Казанской епархии вплоть до революции существовала традиция ежегодного принесения образа из монастыря в кафедральный город. Все православное население Казани, Казанской епархии, глубоко почитает этот образ, и до сего дня получая от Богоматери исцеление в болезнях и помощь в бедах. Хранящаяся в алтаре собора Седмиозерная икона еженедельно выносится в храм для служения молебна и поклонения верующим.
Другой почитаемой святыней Петропавловского собора являются мощи преподобных Ионы и Нектария Казанских. Преподобные Иона и Нектарий (отец и сын), вСедмиозерная икона Божией Матери миру — бояре Иоанн и Нестор Застольские, были помощниками первого Казанского святителя — архиепископа Гурия (Руготина). Когда архиепископ Гурий отправился в новоучрежденную Казанскую епархию, с ним поехал и боярин Иоанн Застольский. Под духовным руководством святителя он вел добродетельную и благочестивую жизнь. В страхе Божием он воспитал и своего сына Нестора. Кроткий юноша с детства был аскетом, носил власяницу, держал пост, любил молиться в храме. С согласия отца Нестор принял монашеский постриг с именем Нектарий. Скончался он в молодых годах. Вскоре и сам Иоанн постригся в монашество, будучи наречен Ионой. Перед кончиной он завещал похоронить себя рядом со святителем Гурием, около могилы которого был погребен Нектарий. При открытии в 1595 году мощей святителей Гурия и Варсонофия, были обретены нетленными тела иноков Ионы и Нектария, однако мощи их было решено оставить в часовне под спудом. Через 400 лет, в 1995 году во время раскопок на территории разрушенного Спасо-Преображенского монастыря в Казанском кремле, мощи святых иноков были вновь обретены. В том же году состоялось их прославление.
В нижнем храме собора почивают мощи митрополита Казанского Ефрема, венчавшего в 1613 году на царство Михаила Федоровича Романова. Святитель Ефрем с давних пор почитается православными жителями Казани. В настоящее время Отдел Татарстанской митрополии по канонизации святых собирает документы и свидетельства о помощи по молитвам митрополита Ефрема для прославления его в лике святых.
В настоящее время Петропавловский собор, имея статус кафедрального храма, безусловно, является одним из центров духовной жизни Казанского края. Здесь регулярно совершаются архиерейские богослужения и проходят епархиальные торжества. Дважды за новейшую историю во время Первосвятительских визитов в Казанскую епархию в 1997 и 2005 годах в соборе совершал богослужения Предстоятель Русской Православной Церкви, приснопоминаемый Патриарх Московский и всея Руси Алексий II.
Богослужения совершаются ежедневно: 8.15 — Литургия; 17.00 — вечернее богослужение. В праздничные дни: 7.00 — ранняя Литургия, 8.40 — поздняя Литургия. В воскресенье в 17.00 служится Параклисис Божией Матери перед чудотворной Седмиезерной иконой. В пятницу в 17.00 — акафист блж. Матроне Московской перед ее мощами.