Secondo la tradizione, le due catene (vincoli) con cui fu legato San Pietro durante la prigionia nel Carcere Mamertino, furono portate a Costantinopoli. Nel V secolo l'imperatrice Eudossia (per questo è detta anche Basilica eudossiana) ne inviò una a sua figlia a Roma, che a sua volta la donò a papa Leone I e fu costruita una chiesa per accoglierla. Alcuni anni più tardi la seconda catena fu portata a Roma, dove si saldò miracolosamente alla prima (foto 2).
La chiesa fu consacrata nel 439 da Sisto III , fu restaurata da Adriano I (774 - 795). Notevoli lavori vi intraprese Giuliano della Rovere divenuto papa Giulio II e nel '700 subì ulteriore modifiche dovute a Francesco Fontana. Recentemente, da scavi effettuati sotto la chiesa, sono emersi resti dell'età repubblicana.

La facciata (1475) è preceduta da un elegante portico a 5 arcate su pilastri ottagonali, posta su un'alta gradinata. E' attribuita a Braccio Pontelli o a Meo del Caprino.

     L'interno
La chiesa è a tre navate divise da 20 colonne a capitello dorico. Il soffitto ligneo a cassettoni, ha la volta ribassata, ripartito da finte arcate trasversali ed è decorato da un affresco di G.B. Parodi rappresentante il Miracolo delle catene.
La chiesa è famosa soprattutto per il sepolcro di Giulio II con la statua del Mosè, posto nel braccio destro del transetto, opera di Michelangelo.

     Il progetto originale dell'artista era molto più grandioso e prevedeva, oltre al Mosè, altre 40 statue (tra le quali i Prigioni ora a Firenze e al Louvre) ma dopo la morte di Giulio II, Michelangelo dovette dedicarsi ad altre opere (il completamento della Cappella Sistina con il Giudizio Universale voluto da Paolo III).
Qui troneggia il Mosè con ai lati le statue di Lia e di Rachele, simboli della vita attiva e contemplativa, completate da Raffaele da Montelupo.
Le altre parti del mausoleo sono opera di allievi.
Il chiostro della chiesa è di Giuliano da Sangallo.
Sotto l'altare maggiore la teca contenente le catene con cui, secondo la tradizione, fu incatenato San Pietro.