Первоначально над захоронениями устанавливались надгробия из белого камня. Но в 70-е годы XVIII столетия их заменили изготовленными из серого мрамора. Надгробия повседневно были накрыты темными суконными покрывалами с вышитыми на них гербами. В торжественных случаях покрывала сменялись на обшитые мехом горностая парчовые.
Новое оформление надгробий в соборе было проведено во второй половине XIX века, когда над новыми захоронениями стали устанавливать надгробия из белого мрамора. Новые надгробия существенно отличались от старых, поэтому в 1865 году император Александр II повелел все надгробия, «кои пришли в ветхость или сделаны не из мрамора, сделать из белого, по образцу последних исполненных». В первую очередь новые надгробия появились над могилами императоров и императриц. К надгробиям прикрепили бронзовые доски с именами и титулами усопших, датами рождения, вступления на престол и смерти. Сверху надгробия украсили позолоченными бронзовыми крестами, а для императоров и императриц еще и государственными гербами. На новых надгробиях перестали помещать покровы.
Исторически надгробия были не над всеми могилами. Рядом с такими могилами (в основном это были захоронения петровских времен) бронзовые доски укрепили на стенуы собора. Очередное изменение произошло по решению Александра III, решившего над могилами своих родителей установить надгробия из яшмы (Александру II) и родонита (Марии Александровне). Но их установили только в начале ХХ века.
В начале своего царствования Николай II решил пристроить к собору специальную усыпальницу для членов императорской фамилии. К этому времени в соборе было 46 захоронений, места для новых могил оставалось мало, поэтому в нем планировалось хоронить только императоров и императриц. Первое захоронение в новой усыпальнице произошло осенью 1908 года, погребли великого князя Алексея Александровича, сына Александра II. Похороны в усыпальнице проводились до 1915 года, когда был погребен великий князь Константин Романов. В этот же период было произведено несколько перезахоронений из Петропавловского собора. В Усыпальнице не предусматривались надгробия, а вровень с полом устанавливались мраморные плиты с выбитыми на них сведениями о похороненных.
За время существования Петропавловского собора в нем скопилось значительное количество изделий из драгоценных металлов: церковной утвари, венков, юбилейных и именных медалей, которые лежали на могилах, а также исторических реликвий. Осенью 1917 года все драгоценности были по решению Временного правительства отправлены в Москву, где их след потерялся.
После революции в Петропавловском соборе еще полтора года продолжались службы. Закрыт он был весной 1919 года, а в 1922 году из него были вывезены остатки ценностей. К счастью, сам собор практически не пострадал. А вот в Усыпальнице какое-то время размещался склад, а затем музейная экспозиция «История строительства Петропавловской крепости». В начале 90-х годов экспозицию демонтировали, в Усыпальнице по просьбе потомков семьи
В Петропавловском соборе прах усопших после революции не тревожили. Было только два случая вскрытия могил. В 1939 году был передан на родину для перезахоронения прах великой княгини Александры Георгиевны — греческой принцессы, дочери короля Георга I. А в 1994 году вскрыли могилу великого князя Георгия Александровича, брата Николая II, чтобы взять образцы для проведения генетической экспертизы.
Первые после революции похороны в Петропавловском соборе состоялось в июле 1998 года, когда здесь предали земле останки императора Николая II, его семьи и погибших вместе с ними слуг. А уже в нашем веке (28 сентября 2006 г.) в соборе перезахоронили императрицу Марию Федоровну, скончавшуюся в Дании в 1928 году.
К настоящему времени в Петропавловском соборе находятся 52 захоронения:
1. Екатерина Петровна (1706 — 1708), великая княжна
2. Наталия Петровна (старшая) (1713 — 1715), великая княжна
3. Маргарита Петровна (1714 — 1715), великая княжна
4. Марфа Матвеевна (1664 — 1715), царица, великая княгиня
5. Шарлотта-Христина София (1694 — 1715), принцесса
6. Павел Петрович (1717 — 1717), великий князь
7. Алексей Петрович (1690 — 1718), царевич и великий князь
8. Мария Алексеевна (1660 — 1723), царевна
9. Пётр I Алексеевич (1672 — 1725), император
10. Наталия Петровна (младшая) (1718 — 1725), великая княжна
11. Екатерина I Алексеевна (1684 — 1727), императрица
12. Анна Петровна (1708 — 1728), великая княжна
13. Анна I Иоанновна (1693 — 1740), императрица
14. Елизавета I Петровна (1709 — 1761), императрица
15. Пётр III Фёдорович (1728 — 1762), император
16. Екатерина II Алексеевна (1729 — 1796), императрица
17. Павел I Петрович (1754 — 1801), император
18. Александр I Павлович (1777 — 1825), император
19. Елизавета Алексеевна (1779 — 1826), императрица
20. Мария Фёдоровна (1759 — 1828), императрица
21. Константин Павлович (1779 — 1831), великий князь
22. Александра Михайловна (1831 — 1832), великая княжна
23. Анна Михайловна (1834 — 1836), великая княжна
24. Мария Михайловна (1825 — 1846), великая княжна
25. Александра Александровна (1842 — 1849), великая княжна
26. Михаил Павлович (1798 — 1849), великий князь
27. Николай I Павлович (1796 — 1855), император
28. Александра Фёдоровна (1798 — 1860), императрица
29. Николай Александрович (1843 — 1865), великий князь
30. Александр Александрович (1869 — 1870), великий князь
31. Елена Павловна (1806 — 1873), великая княгиня
32. Мария Александровна (1824 — 1880), императрица
33. Александр II Николаевич (1818 — 1881), император
34. Ольга Фёдоровна (1839 — 1891), великая княгиня
35. Николай Николаевич (1831 — 1891), великий князь
36. Александра Георгиевна (1870 — 1891), великая княгиня
37. Екатерина Михайловна (1827 — 1894), великая княгиня
38. Александр III Александрович (1845 — 1894), император
39. Алексей Михайлович (1875 — 1895), великий князь
40. Георгий Александрович (1871 — 1899), великий князь
41. Михаил Николаевич (1832 — 1909), великий князь
42. Николай II Александрович (1868 — 1918), император
43. Александра Фёдоровна (1872 — 1918), императрица
44. Ольга Николаевна (1895 — 1918), великая княжна
45. Татьяна Николаевна (1897 — 1918), великая княжна
46. Анастасия Николаевна (1901 — 1918), великая княжна
47. Алексей Николаевич (1904 — 1918), великий князь
48.
49.
50.
51.
52. Мария Фёдоровна (1847 — 1928), императрица