La basilica di Santa Croce in Gerusalemme venne costruita sulle rovine di una villa imperiale denominata Horti Variani ad Spem Veterem, iniziata da Settimio Severo e terminata da Eliogabalo nel III secolo. Di questa villa facevano parte l'Anfiteatro Castrense, il Circo Variano, le Terme Eleniane (così chiamate dopo il restauro eseguito dall'imperatrice Elena) e un nucleo residenziale, nel quale erano una grande sala (in seguito usata per la costruzione di Santa Croce in Gerusalemme) e un'aula absidata. La villa venne privata di alcune sue parti dalla costruzione delle Mura Aureliane nel 272; all'inizio del IV secolo. il palazzo fu scelto come residenza da Elena, madre di Costantino, con il nome di Palazzo Sessoriano.

L'ingresso alla basilica avviene attraverso un atrio a pianta ellittica, con una piccola cupola sostenuta da pilastri e colonne in granito che, nella basilica paleocristiana, erano collocate all'interno. Per le porte quattrocentesche, parzialmente danneggiate nel XVIII secolo, si passa all'interno, suddiviso in tre navate da otto antiche colonne di granito e da sei pilastri, quattro dei quali inglobano altrettante colonne originarie.

Nel presbiterio sono un ciborio del Settecento e l'urna in basalto che accoglie le spoglie dei SS. Cesareo diacono e martire di Terracina (santo tutelare degli imperatori, i "Cesari") e Anastasio martire; al centro dell'abside è un tabernacolo in marmo e bronzo dorato (opera di Carlo Maderno) e la splendida tomba del Cardinale Quiñones, opera di Jacopo Sansovino.

Gli affreschi del catino absidale vengono attribuiti ad Antoniazzo Romano e a Marco Palmezzano. Il ciclo pittorico racconta le vicende del ritrovamento della Croce secondo la Legenda aurea di Jacopo da Varazze, che fu molto popolare nel medioevo.

La ristrutturazione settecentesca portò ad un totale rinnovamento dell'ambiente interno, che fu decorato nella volta da tre grandi tele del molfettese Corrado Giaquinto, uno degli artisti più celebrati dell'epoca (1743). Nei sotterranei è la pregevolissima cappella di Sant'Elena, impreziosita nella volta da un mosaico dell'epoca di Valentiniano III, poi restaurata nel Cinquecento da Melozzo da Forlì e da Baldassarre Peruzzi.