La chiesa ha origine da una piccola cappella, eretta da papa Pasquale II nel 1099, dopo aver fatto demolire il Mausoleo dei Domizi Enobarbi, tomba dell'imperatore Nerone.

La facciata, rivestita di travertino, risale all'epoca di papa Sisto IV, il cui stemma è inserito nel timpano; fu poi modificata dal Bernini. Essa è tripartita con due ordini di lesene, e con tre portali, di cui quello centrale, sormontato nella lunetta da una Madonna col Bambino, è della bottega del Bregno. L'interno della basilica è a tre navate con quattro cappelle per lato; termina con un ampio transetto, sul quale affacciano quattro cappelle, una cupola ed un profondo presbiterio.

Il transetto presenta due altari principali ai suoi estremi, disegnati entrambi dal Bernini. Su esso affacciano quattro cappelle, due per ciascuno dei lati a fianco del presbiterio. Le principali cappelle sono: la Cappella Cerasi (o dell'Assunta), una delle più importanti della basilica; in essa si trovano due delle principali opere del Caravaggio, la Conversione di San Paolo e la Crocifissione di san Pietro; la pala d'altare, raffigurante l’Assunzione della Vergine, è di Annibale Carracci; la Cappella Theodoli, con la tela dell'altare raffigurante Santa Caterina d'Alessandria di Giulio Mazzoni, cui si attribuiscono anche gli stucchi che decorano la volta della cappella.

L'altare maggiore fu fatto eseguire dal cardinale Antonio Maria Sauli nel 1627; a lui si deve anche la decorazione dell'arco trionfale, ove in stucco è rappresentata la Leggenda della fondazione della chiesa. L'altare include la tavola del XIII secolo, in stile bizantino, raffigurante la Madonna del popolo. Nei pressi dell'altare, a destra, vi sono resti di marmo con decorazione cosmatesca e data del 1263.

Il coro fu ristrutturato dal Bramante agli inizi del XVI secolo; in esso si trovano due capolavori di Andrea Sansovino, i monumenti funebri dei cardinali Ascanio Sforza e Girolamo Basso Della Rovere. Nella volta si trovano affreschi del Pinturicchio (1508-10), mentre le vetrate, raffiguranti Episodi della vita di Maria e di Gesù, sono di Guillaume de Marcillat (1509).