Первая деревянная Петропавловская церковь была построена во второй половине XVII в. В 1765 г. церковь погибла при пожаре. Вместо нее из Иоанно-Введенского монастыря был перевезен деревянный Предтеченский храм.
В 1768 г. была заложена каменная церковь Петра и Павла. Главный престол освящен во имя верховных апостолов Петра и Павла, а два придела — во имя Алексея митрополита Московского и Преподобного Нила Столбенского. В 1807 г. была возведена колокольня. При церкви существовало приходское кладбище.
В старинном Тобольске было установлено принесение в город чудотворной иконы Божьей Матери Почаевской из Иоанно-Введенского монастыря. 26 июня икону приносили в Петропавловскую церковь. Через три дня, после литургии, ее торжественно уносили в Андреевскую церковь.
В штате церкви значились священник и псаломщик. В Петропавловской церкви в разные годы служили священники Николай Седаков, Иоанн Молчанов, Александр Румянцев, Иоанн Голошубин, Иоанн Сургутсков, Петр Кузнецов, Михаил Лавров.
В приход церкви входило девять деревень: Анисимова, Серебрянка, Ивановская, Утемова, Клюсова, Токарева, Алемасова, Денисова и Соколова.
13 апреля 1903 г. в час дня от неизвестной причины в Петропавловской церкви начался пожар, который удалось затушить. Убытки от пожара составили около одной тысячи рублей, так как был попорчен иконостас, на иконах взбугрилась краска, и всё помещение было закопчено
В августе 1904 г. священник Петропавловской церкви Петр Кузнецов был направлен на фронт русско-японской войны как полковой священник 9 Сибирского пехотного Тобольского полка.
5 августа 1912 г. в Петропавловской церкви отпевали тобольского купца Александра Адриановича Сыромятникова, умершего 4 августа в 7 часов вечера.
В 1930-х гг. церковь потеряла кресты и ограду, внутри храма над первым ярусом было устроено деревянное перекрытие.
В 1989 — 1992 гг. в храме располагалась вновь открытая Тобольская духовная семинария. Храм начал восстанавливаться силами первых воспитанников семинарии под руководством наставников и преподавателей. В результате, за первый учебный год был проведен огромный объем строительно-ремонтных работ, обустроен второй этаж, где были оборудованы ризница, административные кабинеты, учебные и жилые помещения. В 2012 г. реставрационные работы продолжались. В настоящее время храм отреставрирован. В нем проходят службы.