Quella dei Santi Apostoli è l'unica basilica di Roma che non sia stata edificata su edifici romani preesistenti, anche se furono precocemente utilizzati materiali di spoglio (si pensa provenienti dalle terme di Costantino, e non, come vuole una leggenda, dal vicino Foro di Traiano). Come modello architettonico della chiesa originale spesso viene menzionato quello a pianta centrale del bizantino Apostoleion di Costantinopoli. Ma invece di una pianta a croce la basilica romana molto probabilmente possedeva una pianta triconca privo di cupole.

All'interno, caratterizzato da un'architettura solenne e severa, si possono ammirare opere di Antoniazzo Romano, Benedetto Luti, Giuseppe Cades (la Estasi di San Giuseppe da Copertino) e alcuni rilievi tombali del XV secolo, di cui uno ad opera di Mino da Fiesole. Pure ammirevole è la Tomba di Lorenzo Colonna, opera rinascimentale di Luigi Capponi, seguace di Andrea Bregno. Impressionante per l'effetto illusionistico è la Caduta degli Angeli ribelli sopra il presbiterio, di Giovanni Odazzi. Ma le due opere più note sono il fastoso affresco della volta, decorata dal Trionfo dell'Ordine Francescano del Baciccio (1707) e il monumentale sepolcro di papa Clemente XIV di Antonio Canova (1787). La volta della sacrestia è decorata dal veneziano Sebastiano Ricci. Nella basilica sono sepolti i cardinali Basilio Bessarione, Lorenzo Brancati, Agostino Casaroli e il compositore Girolamo Frescobaldi.