Elle fut projetée par Michel Ange, sur commission du Pape Pie IV, qui voulait consacrer les salles les plus monumentales des Thermes de Dioclétien aux 40000 martyrs chrétiens sacrifiés par l'empereur pour leur construction.

Michel Ange récupéra la grande salle centrale et certaines salles qui donnaient sur celle-ci et, renonçant à y laisser son empreinte, il conserva inaltéré le sens de majesté de l'antique édifice.
Réadaptée par Vanvitelli pour l'année Sainte 1750, l'église a accueilli les retables d'autel de la Basilique Saint Pierre, remplacés par des mosaïques. L'aménagement de la Place de la République et la création de l'axe de la Rue Nationale en ont fait le lieu naturel des célébrations de l'Etat italien.
Vittorio Emanuele Orlando, Thaon di Revel et Armando Diaz, trois des principaux artisans de la victoire de la Première guerre mondiale , sont enterrés à l'intérieur de cette église .