Сампсониевский собор — один из старейших по времени основания храмов Санкт-Петербурга. Небольшая деревянная церковь во имя преподобного Сампсона Странноприимца была заложена Петром I в память о Полтавской победе, одержанной 27 июня 1709 года — в день святого Сампсона.
Строительство существующего каменного храма было начато в 1728 году. В 1733 году были освящены боковые приделы, а в 1740 году — главный алтарь. Имя архитектора неизвестно.
Собор дошел до наших дней без значительных изменений. Он был закрыт в советское время, но его внешняя и внутренняя отделка практически не пострадали.
Здание Сампсониевского собора включает главный храм и примыкающую к нему с запада обширную трапезную с двумя приделами. С севера и юга главный храм окружен открытыми галереями, продолжающими плоскость стен трапезной, так что внешне собор производит впечатление прямоугольного в плане здания. Главный храм перекрыт полуцилиндрическим сводом, над которым возведен глухой деревянный купол на высоком восьмигранном барабане с ложными окнами. В 1761 году по сторонам барабана были пристроены четыре пилона, несущие маленькие боковые главки — такое решение церковного пятиглавия восходит к собору Смольного монастыря Ф. Б. Растрелли.
Архитектурное убранство Сампсониевского собора отличается скромностью. Его фасады расчленены лопатками (пилястрами без капителей), оконные наличники имеют самый простой рисунок. Паперть с пышным скульптурным барельефом была пристроена во время реставрации 1908—1909 годов.
Отдельно стоящая трехъярусная колокольня представляет собой редкое сочетание мотивов барочной архитектуры и древнерусского зодчества. Основная ее часть выполнена в европейском духе, но завершена архаичным каменным шатром с окнами-«слухами» и луковичной главкой.
Главной достопримечательностью собора являются великолепные иконостасы XVIII века.
Иконостасы приделов относятся, вероятно, к 1720-м годам, но были реконструированы на рубеже XVIII—XIX веков. Главный иконостас создан в 1737—1739 годах и является подлинным шедевром русского барокко. Архитектор А. П. Аплаксин писал о нем в начале XX века: «Все, что может дать декоративная архитектура, все нашло место в Сампсоновском иконостасе: карнизы с сплошным орнаментом, колонны полных композиционных орденов, кронштейны разных типов, поддерживающие, ползучие и другие, пышные иконные наличники, сандрики, отдельные орнаменты и гирлянды, неожиданные раскреповки поясков и прочее, и прочее, а вся эта масса декоративных элементов, снабженная к тому же отдельными головками ангелов, самостоятельными фигурами херувимов и бесплотных духов, представляет из себя дивную композицию, легко и свободно распределенную по всему полю иконостаса». Автор иконостаса неизвестен. В главном алтаре Сампсониевского собора сохранились также резной престол и резная надпрестольная сень первой трети XVIII века.