Petrovice jako osada jsou doloženy od roku 1219, samostatný kostel je pak zmíněn v písemných pramenech od roku 1350. Předpokládá se, že gotický chrám s malou věžičkou stál na tomto místě již koncem 12. století – svědčí o tom zachovaná křížová klenba presbytáře a kamenný hrotitý portál bočního vchodu, jež připomínají jeho původní podobu. Hřbitov, který od počátku kostel obklopoval, pak obklopoval stavbu až do roku 1888, kdy byl přemístěn mimo zástavbu obce.

Husitství v 15. století přineslo změny také do Petrovic – místní farnost spravovali husitští a později utrakvističtí kněží. Zásadní obrat nastal v roce 1650, kdy se majiteli petrovického panství stali jezuité. Ti iniciovali stavbu nové fary a po obnově katolické farnosti v roce 1711 nechali v roce 1721 zchátralý gotický kostel přestavět v barokním stylu. Z tohoto období se zachovaly křtitelnice, socha ukřižovaného Ježíše Krista, socha Jana Nepomuckého, barokní varhany, mramorové kropěnky a náhrobní desky zemřelých jezuitů.

V 19. století prošel chrám dalšími změnami. Nad sakristií byla postavena oratoř, nová kazatelna se umístila pod vítězný oblouk a barokní postranní oltáře nahradily nové oltáře se sochami Panny Marie Lurdské a Nejsvětějšího Srdce Ježíšova. Okna obdržela vitrážové výplně, mobiliář se rozšířil o nové sochy a obrazy křížové cesty. Roku 1934 postihla chrám tragédie – požár v presbytáři zničil téměř celý původní hlavní oltář. Nový oltář pak vytvořili akademičtí malíři: Alois Bílek z Skoupého namaloval velký altářní obraz svatých Petra a Pavla a František Fišer nástropní obraz Andělů klanících se Ježíši Spasiteli. Doplňující obrazy – Ježíš a Samařanka a Legenda o svaté Anežce – pocházejí také z té doby.

Kostku kostela chrání sochy – sv. Václava a sv. Jana Nepomuckého pod kruchtou a restaurovaná socha sv. Václava v samotném chrámě (její kopie nyní stojí na sloupu před vchodem). V 60. letech 20. století byla v prostoru Božího hrobu vybudována skála se soškou Panny Marie Lurdské a byly instalovány nové lavice. U bývalé hřbitovní zdi stojí malá kaplička sv. Jana Nepomuckého.

Zvony kostela mají svou vlastní historii. V roce 1779 byly do nové zvonice zavěšeny renesanční zvony Petr z roku 1532 a Pavel z roku 1522. V první světové válce je však obsadní vláda rekvírovala; přestože slíbila ušetřit historicky cenné zvony, odvezla i zvon Petr. Zůstal jen malý „umíráček". Po válce se podařilo pořídit nové zvony Pavel a Petr, které však stejný osud postihly ve druhé světové válce. Až po roce 1989 se podařilo iniciovat nové zvony – 25. června je biskup Jaroslav Škarvada posvětil. Nové zvony nesou jména sv. Petra, sv. Pavla a sv. Martina a odlila je firma Dytrych z Brodku u Přerova.

Po roce 1989 se kostelu dostalo generální opravy věže a nosných konstrukcí, byla zavedena elektrickým vytápění. V roce 2014 byly rekonstruovány barokní varhany. Chrám tak zůstává živým místem, které propojuje středověkou tradici, barokní výzdobu a péči o kulturní dědictví novější doby.