Sorge nella piazza omonima in vicinanza della moderna Facoltà di Ingegneria.
La basilica risale all'era imperiale. Fu fatta costruire da Eudossia, moglie dell'imperatore Valentiniano III, e per questo è detta anche Basilica Eudossiana.
Fu consacrata nel 439 da papa Sisto III sul luogo di un più antico edificio già riservato al culto cristiano.
Notevoli lavori vi intraprese il nipote di Sisto IV, il Cardinale Giuliano Della Rovere, che nel 1471 fece un importante restauro.
Vi sono sepolti:
Antonio di Jacopo Benci detto "Antonio Pollaiolo", Cinzio Aldobrandini, Eustachio Orsini, Giuliano Della Rovere detto "Giulio II", Mariano Vecchiarelli, Nicola Cusano, Pietro Pollaiolo
La facciata è preceduta e nascosta da un elegante portico a cinque arcate su pilastri ottagonali in pietra che si innalza da un'ampia scalinata.
L'interno, di una certa grandiosità, diviso in tre navate da un doppio colonnato dorico in marmo bianco, è il risultato del rifacimento settecentesco operato da Francesco Fontana, autore anche del soffitto ligneo decorato dal Miracolo delle catene del Parodi.
In fondo alla navata laterale destra è collocato il Mausoleo di Giulio II, opera del 1513 di Michelangelo, adorno di ben quaranta statue e di numerosissimi rilievi, con al centro la figura seduta di Mosè, uno dei capolavori dell'artista, e ai lati, quelle di Lia e di Rachele, simboli della vita attiva e della vita contemplativa, iniziate da Michelangelo e finite dal suo allievo Raffaello da Montelupo. Sempre di allievi del grande artista sono le statue del Papa giacente, della Madonna col Bambino, del Profeta e della Sibilla.
Fra le altre opere della chiesa risultano di particolare interesse il cosiddetto sarcofago dei fratelli Maccabei, conservato nella cripta, il bel mosaico bizantino del VII secolo raffigurante San Sebastiano, la tomba di Nicola Cusano e quella di Antonio e Piero del Pollaiolo.
Secondo la tradizione le due catene (vincoli) con cui fu legato San Pietro sono ancora conservate sotto l'altare.