Die Peterskirche wurde wahrscheinlich bereits schon in dem 12. Jahrhundert errichtet. Somit ist sie sogar älter als Heidelberg selbst. Urkundlich wurde sie erstmals 1357 erwähnt. Gestiftet wurde die Peterskirche vom Bistum Worms, als sich das Gebiet, auf dem sich Heidelberg heute befindet, noch in dessen Besitz befand. Der Name der Kirche weist bereits schon auf ihre Verbindung mit dem Wormser Petersdom hin. 1225 wurde das Gebiet dann dem Pfalzgrafen zu dem Lehen gegeben, und Heidelberg wurde gegründet.

Die Peterskirche war Pfarrkirche der Stadt Heidelberg bis zu dem Bau der größeren Heiliggeistkirche in dem 14. Jahrhundert. Die Peterskirche wurde daraufhin der Universität Heidelberg übergeben, und noch heute dient sie als Universitätskirche. Zahlreiche Professoren wurden in ihr bestattet, so auch Marsilius von Inghen, der Gründungsrektor der Universität Heidelberg. Sein Grab ist heute allerdings nicht mehr erhalten. An den Innen- und Außenwänden der Kirche befinden sich insgesamt rund 150 Grabmale von Universitätsprofessoren und kurfürstlichen Hofleuten.

1489 wurde die Peterskirche um eine Universitätskapelle erweitert. Von 1864 bis 1870 wurde sie in eine dreischiffige Hallenkirche in dem damals herrschenden neugotischen Stil umgebaut. 1883, dem 400. Geburtstag von Martin Luther, wurde an der Ostseite der Kirche zu seinen Ehren die Luthereiche gepflanzt. Zu dem Universitätsjubiläum 1884 wurde der Kirchtum dem des Freiburger Münsters angepasst. Um die Turmspitze vor schädlichen Witterungseinflüssen zu schützen wurde sie in der jüngeren Vergangenheit allerdings hinter einem Kupferdach verborgen.