В облике Петропавловского собора господствует монументальная, очень выразительная по силуэту колокольня, увенчанная гигантским золоченым 34-метровым шпилем и украшенная часами. С удивительным чутьем Трезини нашел тот необходимый масштаб и неповторимый силуэт, который превратил колокольню Петропавловского собора в архитектурный символ Петербурга, без которого, кажется, уже невозможно представить облик города на Неве. Эту колокольню, свидетельствующую о величии новой русской столицы, об утверждении России на морских просторах, Петр I пожелал построить выше московской колокольни Ивана Великого. Он придавал ей особое значение и торопил мастеров с постройкой. В результате Трезини строил колокольню с бо́льшим «поспешением», чем саму церковь, законченную лишь в 1733 году. Сооружение было в основном завершено в 1718 году, а в августе 1721 года Петр с приближенными впервые поднялся на колокольню и с ее высоты любовался строящимся городом и панорамой берегов Невы и Финского залива. Камер-юнкер Ф. В. Берхгольц, бывший в то время в Петербурге, записал в своем дневнике: «Крепостная церковь… при ней колокольня в новом стиле, крытая медными, ярко вызолоченными листами, которые необыкновенно хороши при солнечном освещении».
Своим обликом Петропавловская колокольня напоминает городские ратуши прибалтийских городов. Ярус за ярусом поднимается она ввысь. Ярусы соединены завитками-волютами, создающими плавный переход от основного здания собора к высокой башне. Позже в подражание ей строились колокольни в Ярославле, Петрозаводске и других городах России. К 1724 году шпиль колокольни покрыли вызолоченными медными листами. Тогда же башне были установлены куранты, купленные Петром I, а в 1725 году шпиль увенчала фигура ангела с крестом в руке. Высота фигуры составляет более 2 метров, а общая высота колокольни со шпилем – 122 метра.
К монументальной башне вплотную примыкает здание Петропавловского собора. Как и колокольня, он построен в стиле раннего барокко. Собор представляет собой вытянутое в плане прямоугольное сооружение зального типа (длина его составляет около 60 метров, ширина – 23 метра), его стены оформлены пилястрами – четырехгранными полуколоннами и головками херувимов на наличниках окон. Храм отличают строгость и простота в планировке и наружной отделке.
Внутреннее пространство собора разделено на три нефа мощными пилонами. Интерьер собора праздничный и нарядный: просторный и светлый зал благодаря огромным окнам залит светом, стены окрашены в светлые тона, пилоны и пилястры расписаны под мрамор (хватает здесь и мрамора натурального), своды покрыты красочной росписью, архитектурные детали покрыты позолотой. Роспись храма выполнили в 1720-х годах мастера Ф. Воробьев, М. Негрубов и П. Зыбин. Всей «живописной работой» руководил «живописных дел мастер» Андрей Матвеев, а украшающие храм «каменные фигуры с разными архитектурными штуками» изготовила артель московских резчиков.
Резной иконостас Петропавловского собора изготовлен в 1721–1725 годах по рисункам известного архитектора петровской эпохи Ивана Зарудного. Выполненный в форме триумфальной арки, символизирующей победу России в Северной войне 1700–1721 годов, он был смонтирован и установлен в соборе в 1729 году.
Работы по сооружению и отделке собора были завершены только к 1733 году. Храм был освящен 29 июня 1733 года. В апреле 1756 года случилась беда: от удара молнии собор загорелся. Сгорел шпиль (его верхние конструкции были деревянными), упали колокола, от огня расплавился часовой механизм. Пламя охватило чердаки и деревянный купол. Иконостас удалось быстро разобрать и вынести, однако здание получило тяжелые повреждения, кладка стен дала трещины. В итоге собор удалось отремонтировать только через год, а соборную колокольню – красу и гордость Петербурга – вообще пришлось разобрать до окон первого яруса. В 1766 году последовал указ ее восстановить: «…делать оную точно так, какова прежняя была, понеже все прочие планы не столь красивы». Только к 1777 году храм был полностью восстановлен. Чтобы избежать подобных катастроф в дальнейшем, устроили громоотвод – «електрический отвод отвращению удара и паления, от молнии происходящего». А в 1776 году на колокольне повторно установили часы-куранты. Они были изготовлены в Голландии мастером Оортом Красом.
В 1830 году состоялось уникальное по смелости восхождение на вершину шпиля Петропавловского собора. Его осуществил 23-летний крестьянин из Ярославской губернии Петр Телушкин. Необходимо было поправить поврежденную фигуру ангела с крестом, увенчивающую шпиль, но для этого требовалось соорудить дорогостоящие леса. Петр Телушкин вызвался сделать эту работу с помощью веревочной петли. Захлестнув петлю вокруг основания шпиля и обвязавшись ей, он, держась за ребра кровельных листов, выступающих всего на 5 сантиметров, при огромном стечении народа поднялся к самому основанию креста и, сделав необходимые поправки, благополучно спустился обратно. За этот подвиг Петр Телушкин был награжден серебряной медалью «За усердие».