Летом 1996 г. епархии было передано здание бывшего кинотеатра «Луч» на ул. Рахманинова, 18, построенное в 1968 г. С сентября началась реконструкция. 1 ноября состоялась первая служба в боковом приделе в честь иконы Божией Матери «В скорбех и печалех Утешение» (бывшее фойе кинотеатра), а 19 декабря архиепископ Серафим совершил литургию уже в главном приделе апостолов Петра и Павла. В июне 1997 г. при входе была устроена звонница.
Сразу же после открытия молитвенного дома началась подготовка к возведению в Арбеково – крупнейшем районе Пензы – и настоящего храма. Одним из инициаторов стал священник Владимир Клюев, ныне заведующий хозяйственным сектором Отдела внешних церковных связей Московской Патриархии. Проект разработала авторская группа во главе с архитектором Борисом Владимировичем Чурляевым. Храм был спроектирован монументальный: рассчитанный на две тысячи верующих, общей площадью 800 квадратных метров, с 42-метровой колокольней.
11 июля 1997 г. на склоне парка Победы архиепископ Серафим освятил его место, и здесь был установлен крест. 14 октября 1997 г. начали рыть котлован, весной 1998 г. был заложен фундамент, в конце года завершилось строительство нулевого цикла. 2 октября 1999 г. стройку посетил Святейший Патриарх Алексий II. К середине 2000 г. стены были возведены уже практически полностью, что составило 67% работ, но строительство приостановилось на полтора года.
Возобновились работы только в 2002 г. 12 июля 2002 г. в нижнем храме епископ Филарет совершил первую литургию. Осенью 2002 г. начали сооружать купол, в марте 2004 г. было установлено основание под него. А со 2 мая 2004 г. службы в новом храме стали совершаться еженедельно, сначала в трапезной части. С этого времени церковная жизнь переместилась из молитвенного дома в новый храм.
23 декабря 2004 г. были освящены три колокола, весом 1200, 700 и 300 килограммов, пожертвованные пензенским предпринимателем О. Ю. Тоцким. 14 октября освятили, и 21 октября водрузили крест на главный купол. Строительные работы активизировались с приходом на Пензенскую землю Преосвященнейшего епископа Вениамина. 3 января 2010 г. Петропавловский храм был им освящен великим чином. 16 января всенощное бдение здесь возглавил Высокопреосвященный Иларион (Алфеев), архиепископ (ныне митрополит) Волоколамский, председатель Отдела внешних церковных связей Московского Патриархата.
Тогда же возобновилось строительство колокольни. В июне 2011 г. на 30-метровую высоту подняли три колокола. 27 июня 2012 г. епископ Пензенский и Кузнецкий Вениамин совершил освящение креста, и вскоре он вместе с куполом увенчал колокольню. В 2014 г. строительство колокольни было полностью завершено.
