Как видно, ни православного Петра, ни католика Трезини нисколько не смущало, что в результате собор стал похож на нечто среднее между русским храмом и европейской ратушей. Ни шпиль, ни куранты, ни тем более фигура ангела не были характерны для православного культового зодчества.
Внутри собор также более похож на западный храм. Нехарактерно для православных соборов использование живописных полотен наряду с иконами, а также обильные скульптурные украшения. Яркой деталью интерьера собора является резной иконостас, изготовленный в Москве под руководством известного живописца Ивана Зарудного. Он выполнен в виде триумфальной арки, напоминающей о победах России в Северной войне. В центре его - царские врата со скульптурами апостолов. Напротив алтаря располагается великолепная позолоченная кафедра, украшенная статуями апостолов Петра и Павла, а также четырёх евангелистов и фигурой голубя, символизирующей святой дух, а симметрично кафедре - царское место, украшенное малиновым бархатом с вышитым на ней орлом.
Помимо того, что собор выполнял свои функции как храм, он выступал в качестве хранилища трофеев - знамён и ключей от городов, взятых в войнах со Швецией и Турцией. Их копии можно видеть в соборе и сейчас, оригиналы хранятся в военно-морском музее.
Кроме того, ещё при Петре I собор стал использоваться как усыпальница. Одними из первых захоронений стали могилы детей Петра. Всего у Петра I в браке с Екатериной родилось 11 детей, но почти все их них умерли в младенчестве, не дожив и до пяти лет. Один из сыновей Петра, также названный Петрушей, фактически решил судьбу своего старшего брата, царевича Алексея. Пётр души не чаял в маленьком Пете, в "Петечке-шишечке", как любовно звали между собой ребёнка Пётр и Екатерина, за то что, учась ходить, Петечка падал и набивал шишки. Пётр хотел сделать наследником именно "Шишечку", поэтому преследовал старшего сына от первого брака Алексея и, обвинив его в заговоре, заточил в Петропавловской крепости. При невыясненных обстоятельствах он скончался в 1718 году и похоронен здесь же, в соборе. Каково же было горе Петра, когда через год его любимый Петя, официально объявленный престолонаследником, также скоропостижно скончался. Его могила находится в Благовещенской церкви в Александро-Невской лавре, где при Петре также хоронили некоторых Романовых.
Самого Петра, когда подошло время, похоронили здесь же, в Петропавловском соборе. В дальнейшем все российские императоры находили свой последний приют в стенах собора. Только Пётр II, сбежавший из Петербурга в Москву и скоропостижно скончавшийся там от оспы, и злосчастный Иоанн Антонович, убитый в Шлиссельбурге, не погребены в соборе. Печальна история последнего императора Николая II и его семьи. Долгое время их останки не могли обнаружить и идентифицировать, но в 1998 году их прах был перезахоронен в Екатерининском приделе собора. К сожалению, в то время ещё не были найдены останки двух детей царя - княжны Марии и цесаревича Алексея. Их обнаружили лишь в 2007. Сейчас решается вопрос об их присоединении к захоронению в соборе.