В 1901 году учрежден Приход в честь апостолов Петра и Павла.
31 мая 1909 года святитель Макарий (Невский), архиепископ Томский, совершил торжественную закладку собора.
18 декабря 1911 года освящен Главный (центральный) престол во имя святых апостолов Петра и Павла.
28 июля 1913 года освящен Правый (южный) престол во имя 1-го и 2-го обретения главы Ионна Предтечи.
В 1915 году освящен Левый (северный) престол в честь Рождества Пресвятой Богородицы.
8 февраля 1940 года распоряжением советских властей собор закрыт. Церковь стала складским помещением — зернохранилищем Поросинского спиртзавода.
19 октября 1944 года Петропавловский храм первым в Томске был официально возвращен Русской Православной Церкви.
В Крещенские праздники 1945 года возобновлена жизнь Петропавловского собора.
В 1970-76 гг. осуществлена роспись собора, установлены вызолоченные храмовые иконостасы и киоты.
23 мая 1967 года, указом Святейшего Патриарха Московского и Всея Руси Алексия I, Петропавловскому храму было присвоено достоинство собора.
С 1980 года Петропавловский собор признан памятником архитектуры местного значения, согласно решению Томского облисполкома.
В 1989 году при храме создана первая в Томске Воскресная школа.
13 мая 1991 года первый визит Святейшего Патриарха Алексия II в Томск, Первосвятительское служение Божественной литургии в Петропавловском соборе.
В 1992 году, по благословению Святейшего Патриарха Московского и Всея Руси Алексия II, начала свою деятельность Томская духовная семинария. Целый год студенты размещались в помещениях Петропавловского собора.
В октябре 1997 года в Томск вновь, спустя десятилетия, назначается епископ и возобновляется жизнь самостоятельной Томской Епархии. Пять лет архиерейская кафедра располагалась в Петропавловском соборе.
С 1997 по 2003 год на территории собора находилось Томское Епархиальное управление.
В 1999 году по благословению владыка Ростислава началось строительство нового большого каменного крестильного храма с купелью для полного погружения.
26 мая 2002 года второе Первосвятительское служение Божественной литургии Патриархом Московским и Всея Руси Алексием II в Петропавловском соборе.
10 января 2009 года архиепископ Томский и Асиновский Ростислав совершил Великое освящение нового крестильного храма во имя Предтечи и Крестителя Господня Иоанна.
21 сентября 2013 года первый визит Святейшего Патриарха Московского и Всея Руси Кирилла в Томск и в Петропавловский собор.