Начало храму было положено в феврале 1863 г., когда на окраине Самары заложили однопрестольную приходскую церковь. Единственным благотворителем, взявшим на себя все расходы по ее возведению, стал купец Андрей Наумович Головачев. Церковь построили за два строительных сезона и 26 сентября 1865 г. освятили во имя апостолов Петра и Павла.
Архитектура храма была выдержана в русском стиле. Две шатровые главки венчали объем настоящей церкви и колокольни. Внешние фасады были оштукатурены и выбелены. Первоначальные размеры составляли 9 на 17 метров.
В 1882-1884 гг. храм перестроили на средства купца Василия Андреевича Головачева, сына и наследника первого строителя храма, и других благотворителей. У церкви появились боковые приделы, которые располагались возле колокольни и трапезной симметрично друг другу.
Своим современным видом Петропавловская церковь обязана архитектору А.А. Щербачеву, перестроившему здание в 1898-99 гг. Он в два раза увеличил объем боковых приделов за счет пристроев.
Интерьеры храма тоже переделывались заново. Мастер И.В. Белоусов выполнил работы по обновлению иконостасов и росписи стен.
В 30 гг. ХХ в., во время кампании по ликвидации культовых построек, несколько раз ставился вопрос о закрытии Петропавловской церкви. Храм закрыли в 1939 г., а его здание использовали под военный склад, а затем под конюшни. В конце Великой Отечественной войны Петропавловскую церковь возвратили верующим. Ее капитально отремонтировали, заново расписали внутри и оборудовали той утварью, что уцелела от других разрушенных храмов. Петропавловская церковь действует и по сей день.