Dal primo progetto irrealizzato si arrivò ad un concorso per l'effettiva realizzazione con il coinvolgimento dei più grandi artisti dell'epoca: Jacopo Sansovino, Raffaello Sanzio, Antonio da Sangallo e Baldassarre Peruzzi. Il vincitore, Jacopo Sansovino, principiò così la costruzione nel 1519 su base centrale, incontrando subito i primi problemi, in quanto la chiesa si era immaginata, essendo dedicata al Battista, con la zona absidale edificata nel letto del fiume Tevere.

Proprio i problemi delle forti sostruzioni da edificare nelle sabbie del fiume e alcuni sospetti sulla reale finalizzazione delle finanze, provocarono l'allontanamento del Sansovino e la commissione dell'opera ad Antonio da Sangallo il Giovane, valente architetto che aveva dato prova delle proprie capacità tecniche in costruzioni militari, e che risolse brillantemente il problema delle sostruzioni. Neanche lui riuscì però a dare seguito al proprio progetto, peraltro basato sulla integrazione tra pianta centrica e longitudinale. In questo periodo si pongono cinque splendidi disegni di Michelangelo Buonarroti, che immaginano una chiesa a pianta centrale cui affida la realizzazione al suo allievo Tiberio Calcagni, che ne trarrà anche un modello ligneo, più volte rappresentato.

L'abside della basilica rappresenta un vero e proprio museo della scultura barocca immediatamente successiva a Bernini e Algardi: l'altare maggiore si apre sull'imponente gruppo scultoreo raffigurante il Battesimo di Cristo, opera di Antonio Raggi con ai due lati i sepolcri della famiglia Falconieri con le statue de La Fede di Ercole Ferrata e de La Carità di Domenico Guidi, mentre settecenteschi sono i ritratti marmorei di membri della famiglia Falconieri in medaglioni policromi, retti da putti. Di Paolo Benaglia è la memoria di Alessandro Falconieri e Marianna Lante di gusto neoclassico. Il transetto è poi arricchito dai busti commemorativi di Antonio Barberini, del Bernini, di Pietro Francesco De Rossi, di Domenico Guidi, di Ottaviano Acciaioli, di Ercole Ferrata, e di Ottavio Corsini dell'Algardi.

Nella chiesa sono sepolti il cardinale Ludovico Maria Torriggiani, Carlo Maderno, Francesco Borromini, Ludovico Cardi detto il Cigoli (poi traslato nella Chiesa dei Santi Michele e Gaetano di Firenze), Onofrio del Grillo, ispiratore del personaggio principale del film Il marchese del Grillo, l'architetto Carlo Murena, Ansaldo Ansaldi giurista e letterato, molti membri della famiglia dei marchesi Sacchetti, nella omonima cappella alla sinistra dell’altare maggiore.