La zona donde hoy se levanta la iglesia ocupaba gran parte de las antiguas Termas de Diocleciano, en 1561 el Papa Pío IV, aconsejado por el sacerdote Antonio Lo Duca, mandó construir allí un magnífico templo. La elección de este lugar se debe a una visión que había tenido el propio sacerdote. Un rayo de luz, con siete mártires asesinados durante la construcción de las termas, fue la aparición que tuvo en ese mismo lugar. Por eso Antonio Lo Duca quiso a toda costa que la nueva iglesia estuviera dedicada tanto a los Mártires como a los Ángeles, de los que era particularmente devoto.
Miguel Ángel, que ya tenía 86 años, diseñó la estructura, integrando magistralmente el edificio sagrado con las termas. Por ejemplo, la fachada de forma cóncava es uno de los antiguos ábsides del calidarium termal.
En la espléndida planta, el Papa Clemente XI inauguró en 1702 un reloj de sol de 45 metros (que indica el mediodía, el cambio de estaciones e incluso algunas constelaciones), obra de Francesco Bianchini, inspirado en el astrónomo Gian Domenico Grassini.
Hoy en día, la basílica es reconocida por ser el lugar dedicado a las celebraciones oficiales de la República Italiana, precisamente por su importancia histórica, religiosa y cultural, que le permitió convertirse en punto de referencia de la unidad espiritual de Italia.