Свято-Петро-Павловский собор является памятником церковной архитектуры республиканского значения. Инициатор строительства - граф Николай Петрович Румянцев, старший сын П.А. Румянцева- Задунайского, ставшего после смерти отца владельцем Гомеля. 28 марта 1808 г. он обратился к архиепископу Могилевскому Варлааму с просьбой разрешить построить в Гомеле каменную церковь в честь Святых апостолов Петра и Павла. Просьба была удовлетворена. 18 октября 1809 года на правом берегу Сожа началась постройка церкви. Строилась она в течение 10 лет. Около 5 лет понадобилось для украшения храма дорогостоящей церковной утварью, привезенной графом из Петербурга.
Здание построено в стиле классицизма высотой 25 метров. В  основании храма лежит четырехконечный крест; снаружи четыре портика с колоннами дорического стиля. Храм венчается куполом. По желанию Румянцева иконостас храма был украшен колоннами дорического стиля и иконами, пожертвованными графом.
Величайшей святыней храма являлись частицы мощей Святителя Николая и других святых, завещанные основателем собора.
Святые мощи до наших дней не сохранились. 9/22 мая 1824 года в день ангела храмоздателя и праздника Святителя Николая, Петропавловская церковь была освящена. В 1826 году на 74-м году жизни Николай Румянцев скончался в Петербурге. По завещанию тело графа было перевезено в  Гомель и захоронено в левом пределе собора. На могиле был установлен черный мраморный пьедестал, на нем бюст из меди, изображающий графа Н.П. Румянцева.
В 1872 году церковь была учреждена собором, а через три года был освящен придел в честь Святителя Николая. Собор действовал и поддерживался семьей Паскевичей – известных в России меценатов, сохраняясь в первоначальной виде до революции. Вблизи собора Ф.И. Паскевичем была возведена часовня-усыпальница князей Паскевичей.
Во время оккупации стараниями ныне прославленного в лике святых архимандрита Серафима (Шахмута) и верующих г. Гомеля собор был открыт и действовал как церковь до 1960 года. 30 октября 1960 года была отслужена последняя Божественная Литургия.
2 мая 1962 года храм превратился в планетарий, а после закрытия планетария в 1985 г. собор долгое время пустовал. Более чем за два года было написано около 50 писем-прошений о передаче собора верующим людям.
29 сентября 1989 года людям были переданы ключи собора. 7 января 1990 г. на Рождество совершена первая Божественная Литургия.
Гомельский Свято-Петро-Павловский кафедральный собор является духовным центром всей жизни г. Гомеля и области. Собор - это школа для обучения молодых священнослужителей, диаконов, посвятивших свою жизнь пастырскому служению.
31 октября 2009 года кафедральный собор торжественно отметил 200-летие со дня закладки и 20-летие возобновления богослужений.