Первый деревянный храм во имя святых апостолов Петра и Павла был построен на этом месте в 1792 году анатолийскими греками. В сороковых годах XIX века, опять-таки не без участия адмирала М.П. Лазарева, вместо старого ветхого храма, строится, в романтических формах с ориентацией на античность новый собор по проекту архитектора В.А Рулева. В 1843 году храм был освящен.

По периметру храм украшают 44 каннелированные колонны дорического ордера, в нишах при входе стояли мраморные статуи, изображавшие апостолов Петра и Павла, выполненные итальянским скульптором Фердинандо Пеличчио.

В Крымскую войну храм был разбит и сожжен, а статуи увезены неприятелем. Долго, в течение 30 лет, храм продолжал разрушаться из-за отсутствия средств. Воссоздан в первоначальном виде в 1889 году на средства меценатов С.Л. Кулдышева-Володина и А.А. Максимова.

Храм имел два придела: во имя св. апостолов Петра и Павла и в честь Покрова Божьей Матери.
В период Великой Отечественной войны здание было вновь разрушено. Восстановлено в конце сороковых годов.

В 2006 году собор передан церковной общине, службы возобновлены. Здание почти полностью скрыто в зарослях деревьев, которые не позволяют оценить его архитектурный ансамбль. Перед храмом установлен памятник Кириллу и Мефодию.