В 1808 году  граф Николай Румянцев, который после гибели своего отца стал   хозяином Гомеля, отдал приказ архиепископу Могилевскому Варлааму  построить в Гомеле каменный храм в честь Святых  Петра и Павла. Также ему был предоставлен план  храма, выполненный архитектором Дж. Кларком. И в 1809 году был возведен  храм, который строился 10 лет.  5 лет понадобилось для декорации храма, для чего граф специально привез  дорогую  церковную утварь. В основании собора лежит четырёхконечный крест, а сам собор венчается куполом. Иконостас собора был украшен колоннами и иконами, которые пожертвовал граф. Также в алтаре храма была пергаментная грамота, в которой говорилось о соборе и о его основоположнике графе Румянцеве.  

В 1824 году в праздник Святителя Николая Петропавловский собор был освящен.

 Николай Румянцев умер в Петербурге в1826 году, и в своем завещании граф просил похоронить его в храме, учитывая это, тело Николая Румянцева перевезли  в Гомель и захоронили в левом приделе храма. На его могиле установлен мраморный пьедестал, на котором стоял бюст графа из меди. После смерти графа  дворец и церковь перешли к  брату графа – С. П. Румянцеву, а после его гибели был передан казне. С 1837 года он был во владении графа Паскевича-Эриванского.

В 1872 году  храм стал собором, а в 1875 году  придел в честь Святителя Николая был освящен. Также вблизи собора  была построена часовня Паскевичей.

В 1907 году собор приобрел статус кафедрального, а  в 1929 году он был закрыт. В 1932 году здесь расположилась экспозиция исторического отдела музея, через 7 лет был открыт  антирелигиозный отдел, который существовал до Великой Отечественной войны.

По истечении времени собор был открыт и действовал  вплоть до 1960 года.

В мае 1962 года  храма был превращен в планетарий, а в 1985 году  после закрытия  собор продолжительное  время пустовал. Более 2  лет продолжалась верующие боролись за открытие собора, и в 1990 году в  Православное Рождество состоялась  Божественная Литургия. В 1992 году  колокольня у собора была восстановлена, а в 1996 году  построена и освящена крестильная церковь.

Свято-Петро-Павловский собор в Гомеле включен в список самых посещаемых достопримечательностей у жителей Беларуси и туристов, выбирающих отдых в Беларуси.