История этого собора связана с именем Петра I. 27 — 30 мая 1722 г., направляясь в персидский поход, он посетил Казань. Это было третье посещение города Петром. Первое состоялось в 1695 г. во время Азовского похода, второе — в 1708 г., когда в Казани было открыто адмиралтейство.
Император остановился у известного казанского купца и благотворителя, владельца суконной мануфактуры, Ивана Афанасьевича Михляева, 2-этажный кирпичный дом которого находился рядом с деревянной Петропавловской церковью, стоявшей на месте современного собора. 30 мая в Казани Петр I отпраздновал свое 50-летие. В память об этом событии и в благодарность за доверие государя, отдавшему ему в управление убыточные казенные суконные мануфактуры, Иван Афанасьевич решил воздвигнуть новый великолепный собор во имя св. Петра и Павла в камне, небывалой для Казани и всего Поволжья высоты и роскоши.
Четыре года местными силами строили церковь, за основу взяли обычный план посадского храма, каких много было в Казани и по всей России, но не учли, что традиционная схема храма не предполагает огромной высоты: однажды ночью свод храма обрушился. Узнав об этом, Петр прислал строителей из Москвы. Предполагают, что вместе с московскими мастерами в Казань прибыли и флорентийские зодчие. И уже в 1726 году митрополит Казанский и Свияжский Сильвестр (Холмский) торжественно освятил новый храм (о чём имелась соответствующая надпись на деревянном кресте, хранившемся в ризнице Петропавловского собора до переворота 1917 года).