Непосредственно к дворцовому ансамблю примыкает Петропавловский собор, построенный в 1809—1819 гг. по проекту архитектора Кларка в стиле классицизма. Собор стоит на высоком мысе, ограниченном с востока Сожем, с севера — глубоким оврагом. Главным фасадом собор обращен в сторону города. Собор, как и дворец, возвышается над низменной поймой реки и виден на большом расстоянии. В советское время здание было приспособлено под планетарий.

В плане собор имеет форму вытянутого креста с развитым трансептом и укороченным средним нефом. Средокрестне увенчано куполом на высоком, прорезанном окнами барабане.

Сочетание классического портика и купольного объема — излюбленный прием целого поколения зодчих. Четыре шестиколонных портика и множество полуколонн дорического ордера придают фасадам здания большую пластику и вместе с тем суровую простоту. В четком членении объемов, в равновесии и соразмерности масс, в строгости и благородной простоте архитектурного оформления фасадов собора сказались характерные черты классического зодчества начала XIX в.