Das Gelände, auf dem die Kirche heute steht, nahm einen großen Teil der antiken Diokletiansthermen ein. 1561 ließ Papst Pius IV. auf Anraten des Priesters Antonio Lo Duca dort ein prächtiges Gotteshaus errichten. Dieser Ort wurde aufgrund einer Vision ausgewählt, die der Priester selbst gehabt hatte. Ein Lichtstrahl mit sieben Märtyrern, die beim Bau der Thermen getötet worden waren, war ihm genau an dieser Stelle erschienen. Deshalb wollte Lo Duca unbedingt, dass die neue Kirche sowohl den Märtyrern als auch den Engeln, denen er besonders zugetan war, geweiht wurde.
Der inzwischen 86-jährige Michelangelo, der mit dieser Aufgabe betraut wurde, entwarf das Bauwerk, wobei er den Sakralbau meisterhaft mit den Thermen verband. So ist die konkav geformte Fassade nichts anderes als eine der antiken Apsiden des Thermal-Calidariums.
Auf dem prächtigen Fußboden weihte Papst Clemens XI. 1702 eine 45 Meter hohe Sonnenuhr ein (die die Mittagszeit, den Wechsel der Jahreszeiten und sogar einige Sternbilder anzeigt), die von Francesco Bianchini, inspiriert von dem Astronomen Gian Domenico Grassini, geschaffen wurde.
Heute wird die Basilika gerne für offizielle Feierlichkeiten der italienischen Republik genutzt wegen ihrer historischen, religiösen und kulturellen Bedeutung. Sie steht damit auch symbolisch für die geistige Einheit Italiens.