Пятиглавый крестово-купольный храм в плане представляет квадрат со срезанными углами.
Храм соединен переходом с небольшой колокольней, нижний ярус которой служит притвором
Храм был воздвигнут на средства прихожан и ассигнование из городской казны в 10 тыс. рублей. Он находился на городской окраине, называемой Мухин Бугор, удаленной от городских храмов и густозаселявшейся в конце XIX - начале XX века. Эта местность имела среди горожан дурную репутацию, здесь находились, кроме прочего, публичные дома и пивные, известные своими скандалами. Возведение храма в этой местности должно было улучшить нравственный климат данного района.
В 1912 году прихожан обоего пола насчитывалось до 1120 человек.
При храме имелось церковно-приходское попечительство и церковно-приходская школа. В церковной 185 библиотеке 650 книг.
В 1920 году Петропавловская община зарегистрировалась в Томском Уревкоме.
С июля 1922 года непродолжительное время община была в подчинении у обновленцев, но вскоре, в 1924 году, порвала с ними связь и вошла в каноническое общение с архиепископом Димитрием (Беликовым).
В 1928 году вслед за архиепископом Димитрием община присоединилась к «григорианцам».
В июле 1929 года городские власти расторгли договор с Петропавловской общиной о пользовании храмом. Верующие, многие из которых принимали участие еще в строительстве церкви, послали жалобу во ВЦИК. Но это не помогло. Городские власти передали Петропавловскую церковь обновленцам, которые перенесли сюда свою кафедру.
В мае 1935 года к Петропавловскому обновленческому приходу присоединилась община закрытой Преображенской церкви.
В 1937 году был арестован и расстрелян руководитель томских обновленцев лжеархиепископ Сергей Дмитриевский с духовенством .
Оставшись без богослужений, прихожане в 1938 году нашли в Новосибирске и пригласили в Томск игумена Василия (Сосновского). Отслужив шесть дней, священник 4 мая был арестован и через полгода расстрелян. В это же время в Горсовет стали поступать заявки от организаций, претендующих на использование церковного здания.
Распоряжением Новосибирского Облисполкома № 33 от 8 февраля 1940 года церковь была закрыта и вскоре была обращена в складское помещение.
Осенью 1944 года верующие обратились в Томский Облисполком с просьбой открыть в городе Православную Патриаршую церковь. С одобрения Совнарома СССР Петропавловский храм был возвращен верующим.
С 14 января 1945 года в храме стали совершаться регулярные богослужения.Прихожане Петропавловской церкви принимали активное участие в сборе денег на нужды фронта и в помощь сиротам, за что получали благодарность от И.В.Сталина.
В 1945 году Томская епархия была упразднена и вместо нее было учреждено Томское благочиние. Петропавловский храм приобрел статус собора, и десятки лет был местопребыванием Томского благочинного.
С восстановлением Томской епархии и назначением в Томск епископа Петроиавловский собор приобрел на пять лет статус кафедрального. С Петропавловским собором связано также возрождение в городе Воскресных школ и Томской Духовной Семинарии.
В настоящее время этот храм остается самым крупным и вместительным в Томске.