Сампсониевский собор представляет собой архитектурный комплекс (собор - колокольня - часовня), отличающийся от других культовых сооружений города характерной чертой - смешением допетровских форм и элементов архитектуры раннего Петербурга.
В целом исследователи относят его облик к одному из направлений первой половины ХVIII века - "анненскому барокко" (собор достраивался при императрице Анне Иоанновне), однако завершение колокольни граненым шатром с окошками - "слухами", является единственным случаем в Петербурге, но типичным для зодчества XVI - XVIII вв. Москвы, Ярославля, Соликамска и других русских городов.
Этот храм - одно из старейших зданий города. На том месте, где сегодня стоит собор, в конце ноября 1709 года по указу Петра I была заложена деревянная церковь. Она была освящена в 1710 году в честь святого Сампсония Странноприимца: именно в день этого святого, 27 июня 1709 года, русские войска нанесли сокрушительное поражение шведской армии в битве под Полтавой. В память о сражении, определившем исход Северной войны, Петр Великий приказал построить церковь. Место для возведения храма было выбрано
неслучайно: церковь построили возле Выборгской дороги, ведущей в петровские времена
в сторону владений шведского короля.
В 1728 году на месте деревянной церкви началось строительство Сампсониевского собора. Его автор неизвестен, однако, возможно, что храм строился по проекту Д. Трезини. Свойственное памятникам переходного периода смешение различных архитектурных стилей и форм проявилось и во внутреннем убранстве этого храма, главным образом, в его иконостасах: главном и двух малых. Главная достопримечательность Сампсониевского собора – резной, золоченый иконостас первой половины 18 века высотой 11 метров. Главный иконостас во имя Святого Сампсония Странноприимца, выполненный с изумительным блеском и мастерством, представляет собой настоящий шедевр русского искусства первой половины XVIII столетия. Малые иконостасы (южный - в приделе Архистратига Михаила,
и северный - в приделе Иоанна Богослова) отличаются более скромными формами и во многом уступают главному, но, тем не менее, их также можно отнести к незаурядным творениям своего времени.
Иконостасы собора принадлежат к тому типу, в котором архитектура, скульптура
и изобразительное искусство сосуществует в гармоничном синтезе друг с другом. Этот тип русского барочного иконостаса складывается в первой четверти XVIII века и характерным признаком его становится взаимодействие тенденции западноевропейского искусства
с традициями старинного русского культового искусства.
В храме сохранились уникальные иконы первой половины 18 века, в том числе - подписные образа И. Квашнина и А. Поспелова. В 1894 году часть мощей преподобного Сампсония была перенесена из Пантелеймоновской церкви в Сампсониевский собор. В 1909 году, когда Россия праздновала 200-летие Полтавской победы, напротив колокольни храма был открыт памятник Петру Великому, выполненный скульптором М. Антокольским. А на южном и северном фасадах колокольни были установлены мемориальные доски, на которых высечен текст обращения Петра I к русским воинам перед началом битвы под Полтавой.
Сампсониевский собор, подобно другим храмам Петербурга, сильно пострадал после Октябрьской революции и во время Великой Отечественной Войны. В 1999 году, когда реставрационные работы были завершены, собор получил статус государственного
музея-памятника. По субботам и воскресеньям, а также в честь различных праздников,
в храме проводятся богослужения, на которые приходят верующие со всего Петербурга.