In fondo alla basilica è presente la maestosa cappella edificata tra il 1462 e il 1468 per volere del fiorentino Pigello Portinari, agente del Banco Mediceo a Milano, in onore di San Pietro Martire, predicatore domenicano ucciso da un eretico nel 1252. Lo stesso Pigello fu qui sepolto nel 1468.

La cappella, a pianta centrale e composta da due vani a pianta quadrata sormontati da cupole, costituisce la più evidente testimonianza dell'applicazione dell'architettura di stampo fiorentino nella Milano del secolo XV.

Non si conosce il nome dell'architetto che la progettò: la tradizionale attribuzione a Michelozzo è oggi sostituita da una dubitativa a Filarete, ma con ogni probabilità è assegnabile a Guiniforte Solari da Carona, mentre il ciclo di affreschi, con episodi della vita del Santo e della Vergine, è un capolavoro di Vincenzo Foppa. Il ciclo comprende Annunciazione (parete frontale), Assunzione della Vergine (parete d'ingresso), il Miracolo del Piede risanato e il Martirio di San Pietro Martire (parete sinistra), il Miracolo della nube e il Miracolo della falsa Madonna (parete destra). Nei pennacchi, all'interno di quattro oculi sono raffigurati i quattro padri della chiesa: San Gregorio Magno, San Gerolamo, Sant'Ambrogio e Sant'Agostino.

Al centro della cappella Portinari si trova la celebre Arca di san Pietro Martire, capolavoro di Giovanni di Balduccio, della scuola di Giovanni Pisano, commissionata dai domenicani perché vi fossero deposti i resti del Santo. La paternità dell'opera è confermata dall'iscrizione posta sul sarcofago: "MAGISTER IOANNES BALDUCII DE PISIS SCULPSIT HANC ARCAM ANNO DOMINI MCCCXXXVIIII" ("Il maestro Giovanni di Balduccio da Pisa scolpì quest'arca nell'anno del Signore 1339").