Первая деревянная церковь в Сестрорецке была построена в 1722 — 1723 годах и впоследствии разобрана. В 1781 году был выстроен каменный храм, но он был уничтожен пожаром 1868 года.
29 июня 1871 года на правом берегу реки Сестры, напротив Сестрорецкого завода, была заложена каменная церковь святых апостолов Петра и Павла. Постройка осуществлялась по плану, высочайше утвержденному 6 мая 1870 года. Строительство производилось под надзором епархиального архитектора Г. И. Карпова, подрядчиком Козловым (имя архитектора проекта не известно). При строительстве храма использовались кирпичи, оставшиеся после разбора Дубковского Дворца Петра I. Каменный храм с приделом во имя Иконы Божией Матери «Всех Скорбящих Радосте» был построен в византийском стиле. Средства на строительства храма были выделены частично императором Александром II и Синодом; остальная часть — собранные пожертвования. 21 июня 1874 года Собор Петра и Павла был освящен митрополитом Новгородским, Санкт-Петербургским и Финляндским Исидором (Никольским). Из Домовой церкви Дубковского Дворца был перенесен иконостас, различные церковные принадлежности и икона Николая Чудотворца, преподнесённая в своё время митрополитом Феофаном Петру I при освящении дворца в Дубках. Внутри храм был расписан греческой живописью. Длина собора была равна 37 метрам, ширина в средней части 20 метров, высота купола — 31,5 метров, высота колокольни — 38,5 метров. Звонница храма состояла из 8 колоколов, самый большой весил 6 тонн.
Этот храм, располагавшийся на нынешней площади Свободы, был закрыт в 1931 году и разобран в 1932 — 1933 годах. В 1939 году на его месте была построена 433 школа, рядом с которой в 1963 году поставили памятник Ленину. 65 лет сестрорецкий православный приход существовал без своей главной церкви. Несмотря на это, он все эти годы носил имя Петра и Павла.
В 1998 году митрополит Санкт-Петербургский и Ладожский Владимир подписал прошение на строительство храма в городе Сестрорецке.
12 июля 2002 года, в день святых апостолов Петра и Павла, состоялась торжественная закладка камня в основание будущего храма. Строительство каменного храма завершилось в 2009 году. Храм построен по проекту архитектора Елены Федоровны Шаповаловой.
11 октября 2009 года Святейший Патриарх Московский и всея Руси Кирилл при большом стечении народа совершил чин великого освящения храма и отслужил первую Божественную литургию. После богослужения Святейший Патриарх Московский и всея Руси Кирилл поздравил собравшихся с праздничным днем и передал в дар храму иконы Порт-Артурской Божией Матери и праведного воина Феодора Ушакова, а также ковчег с частицами мощей святых первоверховных апостолов Петра и Павла. Светлана Медведева передала храму икону апостолов Петра и Павла, написанную во второй половине XVIII века, а губернатор Валентина Матвиенко — икону святителя Николая Чудотворца.
В 2016 году убранство храма пополнилось прекрасными полотнами, размещенными на северной, южной и западной стенах. Автор и исполнитель проекта настенной росписи — Алина Князева, выпускница отделения церковно-исторической живописи Академии Художеств (Институт им. Репина). Проект росписи осуществлен в стиле росписи храмов XVII века, он прекрасно сочетается с иконостасом и с современной архитектурой храма. Восемь настенных панно посвящены сюжетам, помогающим раскрыть тему призвания апостолов Петра и Павла.
