Петропавловская крепость никогда не принимала непосредственного участия в военных действиях. С самого начала своего существования она стала использоваться в качестве главной политической тюрьмы России. Один из первых узников крепости стал царевич Алексей (он умер или был тайно убит в крепости в 1718 г.) Здесь же находилась в заточении княжна Тараканова. В 1790-х годах в крепости содержался А.Радищев, автор книги «Путешествие из Петербурга в Москву».
В «Секретном доме» Алексеевского равелина содержались декабристы, петрашевцы и народовольцы. В 1872 г. была построена тюрьма Трубецкого бастиона, через которую до 1917 г. прошли около 1500 политических заключенных.
Во время Октябрьской революции 1917 г. гарнизон крепости поддержал большевиков, выступивших против Временного правительства, со стен крепости были произведены холостые артиллерийские выстрелы во время штурма Зимнего дворца, в тюрьму Трубецкого бастиона были заключены арестованные министры Временного правительства.
Тюрьма Трубецкого бастиона и гауптвахты крепости с декабря 1917 года вошли в систему тюрем ВЧК. В 1919 году в крепости были расстреляны 4 великих князя (братья Николай Михайлович и Георгий Михайлович, Павел Александрович и Дмитрий Константинович). По существующим предположениям, в годы Красного террора (1917—1921) расстрелы казненных на территории Петропавловской крепости могли проводиться в районе левого фаса Головкина бастиона между крепостной стеной и Кронверкским проливом. В конце 2009 года на территории крепости были обнаружены массовые захоронения жертв красного террора.
С 1924 года крепость стала музеем.
8 ноября 1925 года Ленинградский совет постановил разрушить Петропавловскую крепость, а на её месте построить стадион, но это решение было вскоре отменено.