Начав войну со Швецией за выход к Балтийскому морю, Петр I одержал несколько важных побед. Однако он не стал укреплять шведские крепости Дерпт у истока Невы и Ниеншанц в ее устье, а решил построить новую крепость, на небольшом Заячьем острове, около Васильевского острова.
Крепость была заложена 27 мая 1703 года, причем одновременно со строительством оборонительных бастионов, в Троицын день, начали строить и деревянную церковь во имя Святых Апостолов Петра и Павла. Однако в деревянном исполнении крепость и церковь подвергались повреждениям из-за наводнений, поэтому уже через 10 лет, в 1714 году, Петр приказал Доменико Трезини заложить каменный Петропавловский собор.
Еще до окончания строительства собор стал местом захоронения российских монархов и членов царских семей. До этого, их хоронили в Архангельском соборе Московского Кремля. Первой в Петропавловском соборе была похоронена в 1708 году дочь Петра I Екатерина, потом сын Павел и еще три дочери.
В 1725 году здесь похоронили и самого Петра. В момент смерти Петра строительство Петропавловского собора еще не было завершено, поэтому Трезини распорядился построить часовню, так называемый Екатерининский придел, где гроб с телом Петра находился 6 лет, пока не был перенесен к иконостасу Святого Петра.
Освящен Петропавловский собор был 29 июня 1733 года, в период правления Анны Иоанновны, хотя все основные работы уже были завершены в 1731 году. В этот год Анна придала ему статус кафедрального собора Петербурга и перенесла гроб с телом Петра к алтарю собора под икону Святого Петра с правой стороны. В 1811 году был освящен Казанский собор на Невском проспекте как кафедральный храм Петербурга, а Петропавловский собор окончательно стал лишь усыпальницей царской семьи.
Сейчас в Петропавловском соборе находится 32 надгробия. Все они выполнены в стиле саркофагов, однако сами гробы с останками в соборе закапывались на глубину 2.5 метра. Наверху ставились лишь надгробия в виде саркофагов. Все они выполнены из белого каррарского мрамора и только две гробницы, установленные в 1906 году, над могилами Александра II и его жены, сделаны из уральского орлеца и алтайской яшмы.
Один из саркофагов Петропавловского собора находится над пустой могилой княгини Александры Георгиевны, чей прах был перенесен в Афинский Пантеон. Также есть легенда, что и могила Александра I пустая, а сам он вовсе не умер в Таганроге (в 1825 году ему было всего 48 лет), а стал старцем Федором Кузьмичем.
В 1998 году в Петропавловской крепости было проведено захоронение останков царской семьи Николая II, которые были найдены под Екатеринбургом. Они были захоронены в Екатерининском приделе, том самом, где находился гроб с телом Петра I, когда Петропавловский собор еще достраивали. Захоронение всех останков было проведено в единой могиле, в том числе и Николая II, так как на момент смерти он уже отрекся от престола и не был царем.
Рядом с небольшим куполом Петропавловского собора виден более мощный купол Великокняжеской усыпальницы. Она была пристроена к собору в 1896-1908 годах, когда возможности для захоронения членов царской семьи в соборе были исчерпаны. В Великокняжеской усыпальнице было сделано 60 погребальных камер. Она была освящена во имя Святого Александра Невского 5 ноября 1908 года, и до 1916 года здесь было похоронено 13 членов царской семьи. В советский период захоронения здесь не производились, но в 90-е годы 20 века они вновь возобновились.