Строительство нового каменного здания вместо небольшой деревянной церкви начал известный в городе меценат, купец, хозяин суконной мануфактуры Иван Афанасьевич Микляев. На такое масштабное строительство его сподвигло решение Петра Великого отдать ему приносящие императорской казне убытки государственные мастерские по изготовлению сукна. В 1722 году, собираясь в очередной военный поход, Петр останавливался у Микляевых, чтобы отметить свое пятидесятилетие.
В ответ на столь величественный жест Иван Афанасьевич начал строительство каменной церкви, посвященной святым Петру и Павлу, невиданной для всего поволжского региона высоты и великолепия. Однако отсутствие опыта в возведении высотных сооружений не замедлило дать знать о себе. Через четыре года масштабных работ по его возведению свод практически готового сооружения не выдержал высоты и рухнул. Император прислал на помощь местным зодчим архитекторов и строителей из Петербурга. Общими усилиями работы по возведению церкви были завершены и в 1726 году там состоялась служба, освящающая собор, которую проводил митрополит Казанский и Свияжский Сильвестр.
Как и большинство российских храмов, собор Петра и Павла в Казани пережил немало пожаров и реставраций. В жестокие для религии годы советской эпохи здесь поочередно располагались реставрационные помещения музея, планетарий, бильярд и полит-информационный уголок. Большая часть внутреннего убранства была разрушена и разворована. Но храм выстоял, и в 1980-х годах силами неравнодушной местной интеллигенции и священнослужителей здание храма посчастливилось вернуть церкви.
Сегодня архитектурный ансамбль церкви включает великолепное здание храма, колокольню и дом причта. К нему же относят построенный в XVII веке дом купца Микляева, который считается самым старым в столице Татарстана гражданским сооружением.