Он был воздвигнут на сборы с судов, проплывавших по водной системе, а также на пожертвования устюжанских купцов.
В память трудов по созданию Тихвинской системы императоров Петра I и Павла I храм был посвящён апостолам Петру и Павлу.
Храм был расписан в 1840-е в академическом стиле. Большая часть живописного ансамбля сохранилась, несмотря на то, что в тридцатые годы прошлого столетия храм был поруган.
В 1930-е годы храм был закрыт. В 1937 году с колокольни был сброшен колокол, шпиль с ангелом и крест. С 1948 года вновь является действующим.
Церковь называют также Иеросоминской, поскольку находится она за 3 тысячи километров на одной параллели с Иерусалимской святыней. У церкви – духовное родство с Санкт-Петербургом, поскольку она является уменьшенной копией знаменитой Петропавловки.
7 июня 2007 на шпиль одного из куполов храма был установлен ангел (уменьшенная копия с Петропавловского собора в Санкт-Петербурге).
Приделы священномученика Власия Севастийского и Воздвиженья.