Die Petrikirche steht am höchsten Punkt eines Geestrückens, an dem sich die erste Hamburger Siedlung bei der Hammaburg befand. Die Ursprünge der Kirche als Holzkapelle werden für spätestens Anfang des 11. Jahrhunderts angenommen, die erste urkundliche Erwähnung fand sie 1195 als ecclesia forensis (Marktkirche). Sie ist nach dem 1805 abgerissenen Mariendom die zweitälteste Kirche in Hamburg-Altstadt. 1220 nannte Papst Honorius III. bei einer Bestätigung der Besitzübertragung auf das Domkapitel für diese Kirche das Patrozinium des Apostels Simon Petrus; unbekannt ist jedoch, wann der Holzbau durch einen ersten Steinbau ersetzt wurde. Der zunehmende Wohlstand der Hamburger Bürger ermöglichte ab 1310 den Ausbau zu einer dreischiffigen, backsteingotischen Hallenkirche aus vier Jochen mit gestaffeltem Dreiapsidenschluss. 1327 erfolgte die Weihe „yn de ere sunte Peter und Pawels der hillygen Apostel“. Die Grundsteinlegung für den Turmbau fand im Jahr 1342 statt, zunächst nur ein vorgesetzter Westturm ohne Spitze. Die Spitze wurde zwischen 1377 und 1383 durch den Baumeister Hermen van Kampen errichtet und mit einer Bleideckung vollendet. Bereits ab dieser Zeit erfuhr der Bau einige charakteristische Veränderungen: 1376 wurde an der Nordseite des Turms die Martinskapelle in Verlängerung des Seitenschiffes errichtet. In den Folgejahren erhielt auch die Südseite mit der Ansgarkapelle ihr Gegenstück, so dass der Turm eine von Stützpfeilern unterteilte Westfassade mit drei Portalen erhielt. 1418 erfolgte die Erweiterung um ein zweites Südseitenschiff in der Länge des Mittelschiffes. Anfang des 16. Jahrhunderts kamen zwei weitere Kapellenanbauten hinzu. Von 1513 bis 1516 wurde unter der Leitung des hannoverschen Baumeisters Heinrich Berndes (Barteldes) die alte Turmspitze durch einen neuen kupfergedeckten Turmhelm ersetzt. Er sollte „sich hogher in de lucht strecken alße de olde“ und überragte den in unmittelbarer Nachbarschaft stehenden Mariendom. Mit 445 Hamburger Fuß (127,5 Metern) war der Turm nun der höchste der Stadt, bis 1518 der ebenfalls von Berndes für St. Nikolai geplante mit 135 Metern Höhe fertiggestellt war. Der Kirchenbau fiel am 7. Mai 1842 fast vollständig dem Hamburger Brand zum Opfer. Erhalten blieben die nördliche Außenmauer, die Nebenapsis bis etwa sieben Meter Höhe und die beiden unteren Turmgeschosse. Die meisten Kunstwerke, wie zum Beispiel der Löwenkopf-Türgriff, konnten gerettet werden. Sieben Jahre später fand an gleicher Stelle die Einweihung des neugotischen Neubaus statt, errichtet nach den Plänen der Architekten Alexis de Chateauneuf und Hermann Peter Fersenfeldt unter Mitwirkung des Malers Martin Gensler, die kupfergedeckte Turmspitze nach den Plänen von Johann Hermann Maack.[10] Der Neubau entsprach der mittelalterlichen Hallenkirche und beseitigte nur deren wenig praktische Einteilung und historisch gewachsene Unordnung durch eine neue Gestaltung des Innenraums. Die Südschiffe wurden durch einen Mittelpfeiler zentralisiert und zusammengezogen, die Hauptpfeiler zwar in der alten Form rekonstruiert, jedoch mit deutlich verringertem Querschnitt, so dass die ganze Kirche sich nun auf die Kanzel hin orientiert. Am 132 Meter hohen Kirchturm, der am 7. Mai 1878 fertiggestellt war, wurden neben dem gebräuchlichen Backstein teilweise glasierte Binder verwendet, die im regelmäßigen Verband der großen Fläche eine besondere Wirkung verleihen. Mit der Umstrukturierung der Hamburger Altstadt, dem Abriss der Gängeviertel und der Errichtung des Kontorhausviertels verlor die Gemeinde viele Mitglieder. Die Operation Gomorrha überstand die Kirche nahezu unversehrt.

Aus St. Petri stammt der sogenannte Grabower Altar des Meister Bertram von Minden (ca. 1340–1414/15), geschaffen 1379/83. Dass ihn die Gemeinde von St. Petri 1731 an die Kirche von Grabow schenkte, hat ihn vor der Zerstörung im Großen Brand 1842 gerettet. 1903 kaufte Alfred Lichtwark ihn für die Hamburger Kunsthalle zurück. Der ehemalige Hochaltar von St. Petri zeigt den Anspruch und Reichtum der Bürgerschaft: Man wählte einen der bedeutendsten, aus dem Prager Umkreis des Kaisers stammenden Künstler.