В 1728 году началось строительство каменного здания собора. Его авторами стали архитекторы Дж. Трезини и М.Г. Земцов. В 1737–1739 гг. русскими мастерами был создан уникальный деревянный иконостас высотой 11 метров. Сампсониевский собор является уникальным архитектурным памятником «Аннинского барокко», одним из немногих сохранившихся строений первой половины XVIII века в Санкт-Петербурге. В 1909 году отмечалось 200-летие победы под Полтавой. Этой дате было посвящено открытие у Сампсониевского собора памятника Петру I работы скульптора М. Антокольского. Тогда же на южном и северном фасадах колокольни были установлены мемориальные чугунные доски с обращением императора Петра I русским воинам.