Свято-Петро-Павловский собор был основан в 1612 году на добровольные пожертвования 52 лиц из дворян и прочих жителей Минского воеводства. Православные жители Минска приняли решение и взяли обязательство ради поддержания в родном городе православной веры на свои собственные средства построить каменный храм и основать при нём мужской православный монастырь во имя святых Первоверховных апостолов Петра и Павла.
Строительство велось под руководством игумена Павла Домжавы. Первоначально в соборе было три престола: главный – во имя св. апостолов Петра и Павла, правый – во имя Предтечи и Крестителя Иоанна, левый – во имя св. Архистратига Михаила.
При храме существовало братство во имя св. Иоанна Крестителя, усилием которого заведены школа, приют и типография.
На протяжении почти двухсот лет Свято-Петро-Павловский монастырь был единственным хранителем православной веры в городе Минске. За эти годы он получил широкую известность среди народа Божиего. Ему уделяли внимание церковные иерархи. Так, в 1635 году в монастыре побывал митрополит Киевский Пётр Могила. В 70-е годы ХVII столетия в нём некоторое время жил Македонский митрополит Софроний Голепонос. Ко второй половине XVIII века Свято-Петро-Павловский монастырь пришёл в упадок и находился в бедственном положении. От случившегося пожара в храме обвалилась часть свода и отслоилась имевшаяся на стенах живопись. В храме не осталось ни одного целого окна. В зимнее время внутри собора лежал снег.
В 1795 году Свято-Петро-Павловский храм был преосвящен в честь великомученицы Екатерины – небесной покровительницы Российской императрицы Екатерины ІІ, а Свято-Петро-Павловский монастырь переведён в здание бывшего униатского Свято-Духова монастыря.
Свято-Екатерининская церковь была наделена статусом кафедрального собора недавно образованной (1793) Минской епархии.
В 1799 году по благословению архиепископа Минского Иова (Потёмкина) Свято-Екатерининская церковь обращается в обыкновенную приходскую.
В 1812 году во время французской оккупации храм был превращён неприятелем в лазарет.
Во второй половине XIX века к Свято-Екатерининскому собору было приписано несколько храмов: Свято-Покровская церковь в Крупцах, церковь во имя св. Марии Магдалины на Переспинском кладбище (Сторожевка), а также часовни Свято-Ильинская в Цне и Свято-Иоанно-Предтеченская в Большой Слепянке.
В 1870-1871 гг. на средства, предоставленные казной, было осуществлено обновление собора.
В 1913 году при соборе, по документам, насчитывалось 5698 прихожан. Причт собора состоял из настоятеля, трёх священников, диакона и четырёх псаломщиков.
В 1933 году Свято-Екатерининский собор в числе многих других православных храмов был закрыт властями, а имущество его подверглось разграблению.
7 декабря 1941 года, вскоре после оккупации Минска немецкими войсками, богослужения по инициативе прихожан были возобновлены.
С июня 1944 года служения в храме не проводились почти полвека.
В здании разместили сначала жилые помещения, а потом архив.
7 декабря 1991 года в Свято-Петро-Павловском соборе был совершён первый за 46 лет молебен.
С 1997 г. в храме вновь ведутся работы по восстановлению его интерьера.
Сегодня церковь отреставрирована, её башни получили шатровые завершения, а фасады освободились от позднейших пристроек. Петропавловский собор является единственным памятником архитектуры эпохи Ренессанса, сохранившимся в Минске.
Храм внесен в Государственный список историко-культурных ценностей Республики Беларусь как памятник архитектуры республиканского значения.