Venne progettata da Michelangelo, su incarico di papa Pio IV, che voleva consacrare gli ambienti più monumentali delle Terme di Diocleziano ai 40.000 martiri cristiani sacrificati dall'Imperatore per la costruzione.

Michelangelo recuperò la grande aula centrale ed alcune delle sale che si aprivano su questa e, rinunciando a lasciare il suo segno, mantenne invariato il senso di grandiosità dell'antico edificio. Riadattata da Vanvitelli, in occasione dell'Anno Santo del 1750, la chiesa ha accolto le pale d'altare della Basilica di San Pietro, sostituite da mosaici.
La sistemazione di Piazza della Repubblica e la creazione dell'asse di Via Nazionale l'hanno resa il luogo naturale delle celebrazioni dello Stato Italiano.
Vittorio Emanuele Orlando, Thaon di Revel ed Armando Diaz, tre tra i maggiori artefici della vittoria della Prima guerra mondiale, sono sepolti all'interno di questa chiesa.