Петропавловский собор построен в стиле раннего барокко. Строгость и простота в планировке, наружной, отделке здания — наиболее характерные черты этого стиля.
Собор представляет собой вытянутое прямоугольное здание, его стены оформлены пилястрами и головками херувимов на наличниках окон. Самая интересная часть собора — колокольня. Ярус за ярусом она поднимается ввысь. Ярусы соединены завитками — волютами, которые создают плавный переход от основного здания собора к высокой башне. Шпиль собора вознесся над городом как символ утверждения России на берегах Невы, как символ выхода ее к просторам Балтики.
Собор — самое высокое здание Санкт-Петербурга (если не считать вышку телевизионного центра). Его высота — 122,5 метра; высота шпиля собора — около 40 метров; диаметр яблока над шпилем — 1,6 метра; высота фигуры ангела — 3,2 метра, размах его крыльев — 3,8 метра.
План Петропавловского собора
План собора не похож на традиционные планы русских церквей: это прямоугольное сооружение «зального» типа. Петропавловский собор в плане имеет прямоугольник, разделенный опорными столбами-пилонами на три своеобразных продольных коридора — нефа. Это плановое решение несколько напоминает романские и готические соборы, но Трезини преодолел традиционное решение средневековых церквей, с его разновеликими нефами и контрфорсами (наружными опорами стен), и создал новый тип собора, получивший название «зальный». Петропавловский собор явился закономерным звеном в эволюции русских церквей и соборов.
Трудно переоценить роль колокольни собора в архитектурном облике города.
Огромное, высокое и свободное помещение Петропавловского собора (здание вытянуто с запада на восток: его длина 61 метр, ширина 27,5 метра, высота до карниза около 15 метров), с двумя рядами пилонов, на которые ложится тяжесть перекрытия, действительно напоминает дворцовый зал. Общие светские тенденции архитектуры XVIII столетия самым непосредственным образом сказались в решении облика Петропавловского собора. В свою очередь он явился предтечей ряда соборов середины XVIII и начала XIX столетия, где интерьеры еще более напоминают дворцовые залы, как, например, собор Смольного монастыря или церковь Екатерининского дворца в городе Пушкине.