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.
Архитектор Доменико Трезини
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.