Una prima chiesa fu costruita qui in antichità, nei pressi della caserma della V coorte dei Vigiles di Roma. La chiesa è ricordata negli atti del sinodo di papa Simmaco, nel 499. Papa Pasquale I, il cui papato coincise con un'epoca di rinnovamento e splendore artistico che coinvolse la Roma dell'inizio del IX secolo, ricostruì la basilica nell'818-822, dotandola di un notevole apparato musivo.

La facciata della basilica, in stile rinascimentale, è opera di Andrea Sansovino che la realizzò nel 1513-1514. Sopra l'arioso portico con cinque arcate separate da lesene in travertino, vi sono due finestre, aperte in seguito all'intervento del Sansovino, ai lati del rosone circolare originale. Nel timpano, gli stemmi marmorei di Innocenzo VIII (al centro) e dei cardinali Giovanni e Ferdinando de' Medici (ai lati).

L'interno, seppur rimaneggiato più volte, conserva ancora immutata l'originaria pianta basilicale del IX secolo, costituita da tre navate di uguale lunghezza separate fra di loro da due file di nove colonne di spoglio ciascuna, terminanti con tre absidi, di cui la maggiore è più ampia.

La navata centrale, affrescata lungo le pareti da Lazzaro Baldi, conserva il soffitto a cassettoni commissionato nel 1566 da Ferdinando de' Medici e ridipinto nel XIX secolo. Il soffitto, che porta al centro lo stemma mediceo, presenta negli altri due riquadri principali la navicella di Leone X, rappresentata come arca di Noè e come tempietto eucaristico.

Sia il catino dell'abside maggiore, sia l'arco absidale sono riccamente decorati da mosaici dell'epoca di Pasquale I (papa dall'817 all'824). Sopra l'arco vi è il Salvatore fra due teorie di apostoli; più in basso sono raffigurati Mosè ed Elia. Nella cripta, cui si accede tramite la moderna confessione semianulare, vi sono dei sarcofagi antichi.