Собор был основан в 1613 году, когда в Минске, как и в других городах Великого княжества Литовского, начала утверждаться уния. В продолжение нескольких лет многие минские православные храмы и монастыри оказались в юрисдикции униатского священноначалия.
Православные жители Минска, представлявшие различные сословия, были обеспокоены таким положением дел. На своих собраниях, проходивших в 1611 и 1612 годах, они 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 первоверховных апостолов Петра и Павла.
Для руководства строительством храма и монастыря из Виленского Свято-Духова монастыря по благословению его настоятеля архимандрита Леонтия Карповича прибыло несколько иноков этой обители, остававшейся в православии. Строительство велось под руководством игумена Павла Домжавы и, несмотря на чинимые препятствия, было непродолжительным. По некоторым сведениям, богослужения в Петропавловском храме начали совершаться уже в конце 1613 года.
Католические служители пытались церковь и монастырь закрыть, а здание передать униатским священнослужителям. Однако, несмотря на притеснения, монастырь приобретал все большее влияние: в 1613 году сам король Речи Посполитой Владислав IV даровал монастырю привилегии - держать школу для людей христианских и их детей, а также иметь типографию. В 1620 году успешно завершилось строительство каменной церкви и монастыря.
Первоначально в соборе было три престола: главный — во имя свв. 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, усилиями которого заведены школа, приют и типография.
В продолжение почти двухсот лет Петропавловский монастырь был единственным хранителем православной веры в городе Минске. За эти годы он получил широкую известность.
Ко второй половине XVIII века 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. Братия монастыря, состоявшая в 1766 году из игумена, двух монахов и двух послушников, нашла себе кров в келиях женского монастыря
Екатерининский храм
В 1795 году Петропавловский храм был переосвящён в честь великомученицы Екатерины — небесной покровительницы Российской императрицы Екатерины ІІ, а Петропавловский монастырь переведён в здание бывшего униатского Свято-Духова монастыря. Екатерининская церковь была наделена статусом кафедрального собора недавно образованной (1793) Минской епархии.
В 1799 году Екатерининская церковь обращается в обыкновенную приходскую, а в 1844 году приобретает статус городского собора
Исакий и Казань построены в стиле классицизма не потому, что российские зодчие разучились строить нарышкинское барокко. А Спас-на-Крови возвели в псевдо-московском стиле отнюдь не потому, что они вскоре отучились и классицизм строить. Просто каждому региону и эпохе свойственны свои вкусы в искусстве. Нынешнее здание минского Виленского вокзала можно было бы заново построить в стиле сталинского ампира, чего уж там - но предпочли почему-то "сталь-стекло-и-пластик".
