Biserica Mănăstirii Cetățuia, cu hramul Sf. Apostoli Petru și Pavel, este amplasată în mijlocul incintei. Ea a fost studiată îndeaproape, la începutul secolului al XX-lea, de arhitectul Gh. Lupu și de inginerul și istoricul Gheorghe Balș care au remarcat că această biserică este o copie simplificată a Bisericii Trei Ierarhi.
Biserica Mănăstirii Cetățuia este construită în plan triconc, cu absidele naosului și altarului semicirculare în interior și poligonale în exterior, fiecare absidă având câte trei ferestre. Edificiul este înconjurat de un brâu torsadă de piatră, încadrat de câte o friză ornată de frunze sculptate în relief. În registrul superior se află câte două rânduri de ocnițe, cele de sus fiind mai mici decât cele de jos. Zidurile exterioare sunt sprijinite de șapte contraforturi, care nu se înalță niciodată deasupra brâului median. Ușile și ferestrele sunt construite în stil gotic, cele mai mici fiind încadrate de o rețea de baghete încrucișate.
Biserica are două turle octogonale aflate deasupra pronaosului și naosului și construite pe două baze: prima pătrată și a doua stelată. Pe turle se află firide alungite, patru ferestre dreptunghiulare mici dispuse în cele patru puncte cardinale, patru contraforturi mici și trei rânduri de ocnițe (două deasupra arcadelor și unul la baza pătrată).
Interiorul lăcașului de cult este compartimentat în pridvor închis, pronaos, naos și altar. În pridvor se intra prin două uși laterale amplasate pe laturile de nord și de sud, având chenare dreptunghiulare și fiind împodobite cu muluri. Cea de pe latura nordică este în prezent zidită. În timpanul ușii, într-o cruce cu brațele egale și rotunjite, este sculptată stema Moldovei: capul de bour care susține o coroană ce este prevazută cu o cruce pe mijloc, având câte un leu de o parte și de alta. Pridvorul înalt, de formă dreptunghiulară și cu bolți sferice pe pandantivi, este luminat de două ferestre pe latura vestică. Între pridvor și pronaos se află un zid despărțitor având la mijloc o ușă cu chenar dreptunghiular, format în brâu torsadă. Zidul despărțitor dintre pronaos și naos a fost dărâmat, fiind înlocuit cu două coloane puternice de secțiune octogonală, cu capiteluri, sprijinind trei arcade.
În biserică s-au mai păstrat din vechiul mobilier doar strana domnească și cea arhierească, bogat decorate cu frunze, flori aurite și îngeri cu mâinile întinse.