В 1952 году в связи с первой после Великой Отечественной войны внешней окраской собора архитектор А. А. Кедринский обмерил фасады собора и колокольни. В 1957 году были закончены большие реставрационные работы в соборе, которые возглавила архитектор И. Н. Бенуа. Тогда для обследования состояния шпиля был осуществлен подъем на его вершину. Архитектор Ю. П. Спегальский и альпинист-спортсмен О. П. Тихонов поднялись к венчающему шпиль кресту и к фигуре ангела. Сперва они использовали лестницы внутри шпиля, и лишь последнюю треть высоты преодолели, поднимаясь по наружной грани шпиля от скобы к скобе. Верхолазы определили объем необходимых работ по реставрации и позолоте шпиля, проверили прочность железного каркаса огромной фигуры ангела. Каркас был очищен от ржавчины и окрашен для предохранения от коррозии. Медные пластины, составляющие фигуру ангела, и почти весь шпиль были вновь позолочены.
Во время реставрации большое внимание было уделено окраске стен собора и его колокольни. По документам установили, что первоначально они были голубыми. Но в условиях северного сырого климата этот очень нестойкий цвет решили заменить окраской более поздних периодов.
Интерьер собора был также восстановлен в его первозданном виде, восстановлена первоначальная окраска стен, пилонов и сводов собора, расчищена живопись. После того как художники-реставраторы под руководством И. Г. Андреева удалили поздние слои краски, предстала прекрасная живопись выдающихся художников петровского времени. Эти вторично рожденные произведения искусства в художественном отношении чрезвычайно обогатили интерьер.
Под руководством Л. И. Васильевой был реставрирован и позолочен деревянный иконостас - удивительнейшее произведение русских умельцев - резчиков по дереву. Были приведены в порядок и кафедра проповедника и балдахин над царским местом. Эти произведения прикладного искусства органически входят в интерьер бывшего храма.
Теперь собор стал подлинным музеем русского искусства первой трети XVIII века - музеем архитектуры, скульптуры, живописи и прикладного искусства.
Восстановление Петропавловского собора, как и другие работы в крепости, наглядно свидетельствуют о высоком научном, техническом и художественном уровне советской реставрационной практики. Организатором всех строительных и реставрационных работ был инженер С. П. Стогов, награжденный Советским правительством за эти работы орденом.
В последние годы развернулись в высшей степени интересные реставрационные работы на обветшавших бастионах крепости. За два столетия бастионы снаружи и внутри утратили свой первоначальный вид. Особенно изменились аппарели - въездные пандусы. Переделывались и казематы. Согласно обнаруженным графическим документам, архитектор И. Н. Бенуа реставрирует Государев и Зотов бастионы. Часть Зотова бастиона восстанавливается в том виде, каким он был в XVIII веке. Так, в трех казематах можно будет увидеть орудийные накаты и амбразуры верхнего и подошвенного боя. Внешней стене бастиона придается ее первоначальный наклон - около 70°. Будет восстановлен и прежний уровень земли внутри и снаружи бастиона, то есть он будет понижен на 1 - 1,5 метра. В Государевом бастионе будут восстановлены в обоих ярусах казематы, предназначавшиеся для размещения солдат.
Все, что делается в крепости по реставрации ее сооружений, необычайно повышает историческую, художественную и познавательную ценность памятника.
Все реставрационные работы выполняются специальными научно-реставрационными мастерскими города.
Петропавловская крепость постепенно превращается в историко-архитектурный заповедник. Важнейшие памятники ее - Петропавловский собор, бывшая тюрьма Трубецкого бастиона, Ботный дом, Зотов бастион - были переданы Музею истории Ленинграда решением Исполкома Ленсовета в ноябре 1954 года. В 1959 году на территорию крепости были переведены фонды музея и библиотека, а в здании бывшей гауптвахты разместилась дирекция. 27 января 1966 года Исполком Ленсовета принял решение о том, что к 1970 году крепость должна быть полностью (кроме Монетного двора) освобождена от посторонних музею учреждений.
В 1966 году Музей истории Ленинграда разработал перспективный план реставрации и использования зданий и сооружений крепости. В Обер-комендантском доме после окончания реставрационных работ будут экспонироваться документы по истории города с 1703 по 1917 год, в Инженерном доме разместится экспозиция, посвященная архитектуре Петербурга, в бывшей усыпальнице - посвященная Петропавловской крепости. Собор сохраняется как музей. Здание бывшего казначейства будет отведено для хранения фондов музея. Фонды музея разместятся также в Кронверкской и Петровской куртинах. Никольская куртина и кавальер станут местом, где экскурсанты будут знакомиться с историей фортификационных сооружений XVIII и XIX веков.