1866 წლისთვის თბილისში 4000-მდე კათოლიკე ცხოვრობდა. ერთადერთი კათოლიკური ეკლესია მრევლს ვეღარ იტევდა და ახალი, 600-კაციანი ტაძრის აშენება გადაწყდა. ეკლესია რომაულ-კათოლიკური მრევლის მამასახლისის, ქველმოქმედ კონსტანტინე ზუბალაშვილის დაკვეთით აიგო. კათედრალის არქიტექტორი თბილისში მოღვაწე გერმანელი ალბერტ ზალცმანი იყო, რომელმაც ტაძრისთვის ადრინდელი ბაროკოს სტილი შეარჩია.
ეკლესიის მშენებლობა პოლონელ და ქართველ კათოლიკეთა ფინანსური დახმარებით 1877 წელს დასრულდა. ამ დროს, პოლონელებისა და ქართველების გარდა, მრევლის წევრები კათოლიკე გერმანელებიც იყვნენ. ახალი ტაძრის არქიტექტურამ თანამედროვეთა დიდი მოწონება დაიმსახურა. კურთხევა კი პომპეზურად აღინიშნა.
მრევლისთვის ეკლესია საზოგადოებრივი ცენტრის ფუნქციასაც ითავსებდა - ტაძართან სამრევლო სკოლა და ბიბლიოთეკა მოეწყო. ქვეყნის გასაბჭოების შემდეგ, სხვა ეკლესიების მსგავსად, წმინდა პეტრესა და პავლეს კათოლიკურ ტაძარსაც დაემუქრა დახურვის საშიშროება, თუმცა ქირის გადახდის სანაცვლოდ კათოლიკურ მრევლს ეკლესიით სარგებლობის უფლება შეუნარჩუნდა.
1993 წელს გაჩენილმა ხანძარმა და ჩაქრობისას უხვად დასხმულმა წყალმა ეკლესიის ინტერიერი დააზიანა. 2009 წელს პოლონელი სპეციალისტების მონაწილეობით ეკლესიაში საკონსერვაციო სამუშაოები ჩატარდა.
წმინდა პეტრესა და პავლეს ტაძარი ერთ-ერთია თბილისში მოქმედი ორი კათოლიკური ეკლესიიდან და მასში ორგანის თანხლებით წირვა-ლოცვა ყოველკვირეულად იმართება.