В первые годы после Великой Отечественной войны начинается история Петропавловского завода тяжелого машиностроения. 5 ноября 1948 года в соответствии с Постановлением Совета Министров СССР № 4137-1658 было принято решение о строительстве завода в городе Петропавловск.

Выбор этого города был обусловлен наличием большого числа квалифицированных специалистов, прибывших вместе с эвакуированными заводами. В 1953 году первым директором строящегося завода был назначен Владимир Федорович Петров.

30 марта 1961 года началась производственная деятельность завода с выпуска первой партии зернопогрузчиков. С 1962 года завод сосредоточился на разработке и производстве военной ракетной техники, а в 1965 году его продукция (стартовые агрегаты) впервые была представлена на военном параде 7 ноября на Красной площади в Москве.

В 1970 году на заводе был создан участок стального литья по выплавляемым моделям мощностью 160 тонн в год. В течение первых пяти лет численность работников завода возросла до рекордного числа: 4000 человек.

За трудовые достижения в 1971 году Петропавловскому заводу тяжелого машиностроения было присвоено имя В.И. Ленина по постановлению ЦК Компартии Казахстана и Совета Министров Казахской ССР. С того времени завод активно развивал производство сельскохозяйственной техники, включая разбрасыватели минеральных удобрений, количество которых достигало 10 тысяч штук в год, и экспортировал продукцию в такие страны как Франция, Англия, Польша и Куба.

В 1973 году директором завода был назначен Владимир Васильевич Ефремов, который возглавлял завод в течение 21 года. Под его руководством АО «ПЗТМ» стало одним из ведущих предприятий, успешно осваивающим новые виды вооружения и вносящим значительный вклад в обороноспособность страны. Завод также производил гражданскую продукцию, включая сельскохозяйственные машины, прицепы, велосипеды, пластмассовые ведра и каски, которые поставлялись более чем в 30 стран мира.

В 1979 году для сотрудников завода и их семей были построены поликлиника, профилакторий, Дворец культуры «Машиностроитель», стадион, дворец спорта, Дом быта и пионерский лагерь «Юный машиностроитель». Завод также имел собственный самолет для перевозки оборудования и материалов. К 1979 году численность сотрудников достигала 14 000 человек, из них 11 000 работали непосредственно на производстве.

В 2015 году завод был удостоен премии Президента Республики Казахстан «Алтын сапа» за высокие показатели. В 2023 году спортсмены ПЗТМ заняли третье общекомандное место в Астане, а лучший молодой сотрудник производства Алибек Уатаев стал победителем конкурса «Еңбек жолы».

На сегодняшний день АО «ПЗТМ» - одно из крупнейших в Казахстане предприятий по изготовлению оборудования для нефтегазодобывающей, нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой, энергетической и других отраслей промышленности на основе современных технологий. Предприятие располагает производственными мощностями с наличием всех технологических переделов, необходимых для выпуска различных видов оборудования.

Уже в 2026 году предприятие отметит свой 65-летний юбилей.