Каменный Петропавловский собор начали строить по проекту итальянского архитектора Трезини, который создал не только чертежи, но также модели и собора, и всей крепости (к сожалению, не сохранились до наших дней). До этого таких православных храмов в России не строили, храм по форме напоминал храмы Северной Европы. Несмотря на это в его архитектуре сохранились не только европейские, но и русские традиции.
По приказу Петра I строительство началось с многоярусной башни-колокольни, которая примыкает к собору. В 1715 г. царь написал главе Канцелярии городовых дел князю Алексею Черкасскому: «Колокольню, которая в городе, как можно скорее отделать, дабы в будущем 1716-м возможно на оной часы поставить, а церковь делать исподволь». Однако к указанному сроку колокольню не построили. Из-за нехватки рабочих рук, бегства крестьян и недостатка рабочих материалов строительство закончили только в 1720 г. К этому времени на ней установили часы с боем, купленные в Голландии за 55 тыс. руб. и смонтированные часовым мастером Форзеном.
Шпиль колокольни высотой 112 м (что на 32 м выше колокольни Ивана Великого), обшитый впоследствии листами золоченой меди, был выполнен бригадой под руководством голландского мастера Германа ван Болеса. В эту бригаду вошли 10 русских плотников во главе с Матвеем Карамышевым и 14 пленных шведов во главе с Улофом Вало. Однажды бригадир ван Болес остался на ночь в башне колокольни, а придя домой, рассказал теще, что «вечером видел сверху в пыточном каземате головы каких-то людей». Ту информацию пустили в тираж, и вскоре бригадир вместе с женой и тещей оказались в крепостном каземате, проведя там не самые лучшие две недели своей жизни. К счастью для них, все закончилось благополучно, но прививку от болтливости они получили серьезную.
Финалом работ по созданию башни стала установка на шпиле колокольни позолоченной фигурки ангела-флюгера из листовой меди. Первоначально за эту работу взялись в 1722 г. крестьянин Иван Меньшой и «серебряных дел мастер» Лазарь Задубский, которые запросили за труд 170 руб. Но предъявленный результат их труда забраковал зодчий Трезини. Работу поручили рижским мастерам Штейнбесу и Эбергарту, их работу оценили в 412 руб. и приняли в мае 1723 г.
Весь собор достроили только к 1733 г., уже после смерти Петра I. Внутри собора создали резной деревянный барочный иконостас в виде огромной триумфальной арки. Его вырезали в Москве резчики Т. Иванов и И. Телега под руководством И. П. Зарудного. В соборе его собрали и покрыли червонным золотом. Также в соборе устроили кафедру для произнесения проповедей и царское место, на котором во время богослужения стоял император. На годы Петропавловский собор стал главным храмом Санкт-Петербурга. Там хранились трофейные знамена, ключи от взятых русскими войсками городов и крепостей. В начале XX в. эти реликвии передали в Эрмитаж.
В Петропавловском соборе стали хоронить российских императоров и императриц, а также членов их семьи. Долгое время он оставался самым высоким зданием Петербурга, изображение которого стало одной из его эмблем.
Строитель Петропавловского собора Доменико Андреа Трезини родился около 1670 г. в небогатой семье итальянских дворян, проживавшей в швейцарском селении Астано, где до нашего времени сохранился трехэтажный домик, в котором он появился на свет. Архитектурному делу Доменико Трезини обучался в Венеции. Обзаведясь в 1698 г. семьей, он начал поиски работы, благодаря которой смог бы семью достойно содержать. Поиски были длительными и не всегда успешными до того времени, пока судьба не свела Трезини с русским послом в Дании Андреем Измайловым, который, помимо всего прочего, занимался подбором квалифицированных кадров для работы в России. В 1703 г. Андрей Измайлов пригласил Андреа Доменико на службу к царю Петру с жалованьем «по 20 червонных золотых в месяц» (сумма, весьма значительная по тем временам), сроком на один год. Затем, как сказано было в договоре, если русский климат окажется «зело жесток и здравию его вредный», то воля его будет ехать, «куда он похощет».
Оставив жену в родительском доме, Андреа Доменико отправился к месту новой службы. В июне 1703 г. он прибыл в Архангельск, оттуда уехал в Москву, а в марте 1704 г. прибыл в Петербург с еще непривычным для себя именем Андрей Якимович Трезин, хотя некоторые аборигены предпочитали именовать его Андреем Петровичем. Имя Доменико осталось для историков.
Свою построечную деятельность Трезини начал с укрепления форта Кроншлот близ острова Котлин. Когда летом к Котлину подошла шведская эскадра, форт выдержал ее атаки, не дав эскадре приблизиться к Петербургу. После этого Трезини занялся восстановлением фортификационных сооружений, не только воссоздав крепостные стены, но и соорудив триумфальные ворота в Нарве после ее взятия русскими войсками.
