Композиция храма и колокольни выполнены в стиле так называемого русского или «нарышкинского» барокко, распространенного в России в конце XVII- первой половине XVIII века. Неповторимый облик собору придает, в первую очередь, декор - обилие фасадных деталей и их яркая раскраска, сохранившаяся до нашего времени.
К сожалению, имена строителей собора остались неизвестны. Многие искусствоведы указывают на сходство декора с орнаментальным украшением храмов, строившихся в первой половине XVIII века на Украине. Возможно храм действительно строили малороссы, но Петропавловский собор не является простым механическим копированием какого-то стиля.
Многое в его облике уникально и является плодом внестилевых пристрастий. Обращает на себя внимание, что парадная лестница, ведущая к алтарю верхнего храма, расположена со двора. Дело в том, что во времена строительства собора планировка казанских улиц была иной, чем сейчас. Нынешней улицы Джалиля не было, а с противоположной стороны проходил отсутствующий сейчас переулок, к которому был обращен и дом Михляева, и парадный вход в собор, и боковые приделы на первом и втором этажах.
В конце XVIII века была введена регулярная планировка. Поэтому архитектурный облик собора удачно дополнила ограда со стороны Петропавловского переулка (улицы Джалиля), устроенная в 1850 году по проекту известного архитектора Михаила Петровича Коринфского.
Среди главных святынь Петропавловского собора — чудотворная Смоленско-Седмиозерная икона Божией Матери, переданная в собор из церкви Ярославских чудотворцев (на Арском кладбище), где долгие годы хранилась, будучи спасена иеросхимонахом Серафимом (Кошуриным) после закрытия Седмиозерной пустыни в 1928 году.
Другой почитаемой иконой является мироточивая Иверская икона Божией Матери (в нижнем храме). В верхнем храме собора находится гробница с мощами преподобных Ионы и Нектария, отца и сына, бывших бояр Застолбских, принявших монашество и являвшихся помощниками святителя Гурия. В нижнем храме в особых гробницах почивают: мощи митрополита Казанского Ефрема, венчавшего на царство в 1613 году Михаила Феодоровича Романова; и мощи епископа Иерусалимского Арсения. Мощи были обретены во время раскопок, проводившихся под руководством Ж.Алфеевой и А.В.Журавского, в 1995 году на территории разрушенного Спасо-Преображенского монастыря Казанского кремля.
В настоящее время в нижнем храме Петропавловского собора проводятся восстановительные работы. Установлен новый резной иконостас, расписаны стены храма. Петропавловский собор является одним из центров духовной жизни православных верующих Казанского края.