Торжественная закладка Петропавловского собора состоялась 31 мая 1909 года по проекту архитектора А.И. Лангера, на возвышенности вблизи с поймой р. Ушайки. Эта возвышенность со времени основания Томска носит название «Мухин бугор». Это связано с именем раскаявшегося разбойника Мухи. Он был грозой окрестных лесов на рубеже XVII-XVIII веков. Чин основания храма совершил святитель Макарий (Невский). Строилась церковь на деньги, выделенные местной городской властью, и на пожертвования народа. 18 декабря 1911 года новый храм был освящен викарным епископом Иннокентием. Главный престол храма был освящен в честь святых первоверховных апостолов Петра и Павла, правый – во имя 1-го и 2-го обретения главы св. Иоанна Предтечи, а левый – в честь Рождества Пресвятой Богородицы.
В 1920-е годы храм согласно требованиям большевистской власти был в подчинении раскольников-обновленцев. В 1940 году церковь была закрыта властями и вскоре стала складским помещением Поросинского спиртзавода. Но уже в 1944 году храм был возвращен православной церкви. В 1950-1990-х годах Петропавловский собор и Свято-Троицкий храм были единственными действующими православными церквями Томска.
В 1970-76 гг. осуществлена роспись собора, установлены вызолоченные храмовые иконостасы и киоты. С 1980 года Петропавловский собор признан памятником архитектуры местного значения, согласно решению Томского облисполкома. В 1989 году при храме создана первая в Томске Воскресная школа. 13 мая 1991 года первый визит Святейшего Патриарха Алексия II в Томск, Первосвятительское служение Божественной литургии в Петропавловском соборе. В 1992 году, по благословению Святейшего Патриарха Московского и Всея Руси Алексия II, начала свою деятельность Томская духовная семинария. Целый год студенты размещались в помещениях Петропавловского собора. В октябре 1997 года в Томск вновь, спустя десятилетия, назначается епископ и возобновляется жизнь самостоятельной Томской Епархии. Пять лет архиерейская кафедра располагалась в Петропавловском соборе.
С 1997 по 2003 год на территории собора находилось Томское Епархиальное управление. В 1999 году по благословению владыка Ростислава началось строительство нового большого каменного крестильного храма с купелью для полного погружения. 26 мая 2002 года второе Первосвятительское служение Божественной литургии Патриархом Московским и Всея Руси Алексием II в Петропавловском соборе. 10 января 2009 года архиепископ Томский и Асиновский Ростислав совершил Великое освящение нового крестильного храма во имя Предтечи и Крестителя Господня Иоанна. 21 сентября 2013 года первый визит Святейшего Патриарха Московского и Всея Руси Кирилла в Томск и в Петропавловский собор.
Настоятель Петропавловского собора — протоиерей Богдан Бида.
Адрес: ул. Алтайская, 47.