Собор Св. апостола Павла выполнен в эклектическом русско-византийском стиле. В то время, когда возводился собор, национальная церковная архитектурная школа начинает поиск новых форм, выявлению особенностей в сооружении соборов и церквей, и зодчие используют многие мотивы русского и византийского храмного строительства. В 1845 году император Николай I лично выбрал место для строительства и выделил денежные средства, распоряжение которыми осуществлял главноуправляющий дворцовыми управлениями Яков Васильевич Захаржевский. Закладка храма состоялась 17 октября 1846 года в присутствии представителей августейшей фамилии. После завершения строительных работ 29 июня 1852 года митрополитом Новгородским и Санкт-Петербургским Никанором (Н.С. Клементьевским) был торжественно освящен главный предел храма. На богослужении присутствовал великий князь Константин Николаевич. В начале 1910-х годов собор пришел в аварийное состояние, и в местной печати началась дискуссия о необходимости проведения срочных ремонтно-реставрационных работ, которые и были проделаны летом 1915 года. Дальнейшая история прихода трагична.
В 1938 году все священнослужители собора Святого Павла были арестованы по абсурдным обвинениям, и служить в храме стало некому. Через год его официально закрыли, все внутреннее убранство вывезли (иконостас был продан на дрова), а главное помещение принялись делить перекрытиями на несколько этажей. Жительница города Варвара Филипповна Прозорова купила иконостас, чем спасла его от уничтожения — он вернется на прежнее место после реставрации в 1949 году. Первые службы после закрытия прошли в соборе еще в 1941 году и продолжились уже после освобождения Гатчины от немецких оккупантов.
Среди святынь и реликвий Павловского собора можно отметить следующие: икона святого великомученика Пантелеймона (ранее находилась в Екатерининском соборе Царского Села), икона Божией Матери Филермская (копия 1919 года) и мощи Марии Гатчинской, с историей которой мы еще познакомимся.
Стройное пятиглавое крестообразное в плане сооружение установлено на высоком подклете (подвале). С востока к основному зданию храма примыкает полукруглая пристройка — апсида. Двойные пилястры делят фасады собора на три части (средняя — самая большая), которые завершаются килевидными закомарами. Центральная часть главного фасада, обращенного к Большому (25 Октября) проспекту, дополнена большим круглым окном-розеткой верхнего света в виде цветка. Аналогичные оконные проемы устроены на северном и южном фасадах. Вход в храм выполнен в виде величественного портала, к которому ведут десять каменных ступеней. Двойные деревянные прямоугольные двери с дополни— тельным окном верхнего света над ними обрамляют по три колонны на высоком цоколе с каждой стороны, поддерживающие орнаментальные архивольты. В центре люнета размещено изображение Спасителя. Дверная перемычка выполнена в виде профилированного карниза. Декоративное убранство оконных проемов и фалып-окон барабанов повторяет линии закомар, зрительно увеличивая высоту и без того вытянутого вверх здания. Центральный барабан имеет двенадцать граней и шесть окон, открыт изнутри и несет на себе центральный купол собора. Остальные барабаны — восьмигранные, в двух из них размещена звонница с девятью колоколами, отлитыми на Валдае, на заводе Стуколкина (не сохранились). Каждая грань оформлена пилястрами дорического ордера. Венчающие храм кресты были изготовлены на Санкт-Петербургском гальванопластическом заведении герцога Лейхтенбергского. Боковые закомары фасадов украшены круглыми рельефами работы скульптора И. Дылева, с изображением святых: Павла, Петра, Елены, Константина, Николая Угодника и Марии Магдалены.
Над внутренним убранством собора, к сожалению, утраченным в 1930-е годы, работали известные художники П.М. Шамшин, Ф.А. Бруни, М.И. Скотти, А.А. Зелинский, В.А. Серебряков и Ф.С. Завьялов. Три иконостаса по рисункам Ф.Г. Солнцева вырезал из греческого кипариса мастер Скворцов. При входе на стенах храма висели мраморные мемориальные доски с названиями полков, расквартированных в Гатчине во времена императора Павла I. Павловский собор и в наши дни является духовным центром города.
Рядом с храмом сохранилось двухэтажное здание церковноприходской школы, построенное в начале XX века по проекту архитектора Леонида Михайловича Харламова.