В 1910 году от Священного Синода было получено разрешение на строительство каменной церкви, но первая часть денег поступила только в 1914 году. Тогда же, 18 сентября, правящий архиепископ Тихон (Белавин) освятил место закладки каменного храма. К лету 1915 года была возведена часть стен здания, но в сентябре Вильну заняли немцы, которые разобрали стены на кирпичи — их использовали для постройки порохового завода.
С 1918 года Петропавловский приход был приписан к Евфросиньевской церкви, с 1923 года по 1933 год — к Пречистенскому собору. Трудами настоятеля священника Феодора Шипицы был образован самостоятельный приход, были построена колокольня, вырыт колодец, огорожена церковная территория, приведено в порядок кладбище.
Советскими властями Петропавловский приход был зарегистрирован в 1947 году. В 1955 году был проведён капитальный ремонт, в 1957 году возведена новая колокольня.
С 1967 по 1999 год настоятелем прихода служил митрофорный протоиерей Борис Григорьевич Черепенников, потомственный священник, который много потрудился на благо прихода. С 2000 по 2018 годы настоятелем был протоиерей Михаил Купарев. С 15 августа 2018 года настоятелем назначен протоиерей Владимир Ринкевич, служивший до этого в храме святых Константина и Михаила г. Вильнюса.
При храме действует воскресная школа для взрослых и для детей. Также в 2018 году создано Общество духовного трезвения имени святого праведного Иоанна Кронштадтского.