Si tratta di una delle più antiche chiese italiane a pianta circolare, eretta probabilmente nel V secolo e consacrata da papa Simplicio (468 - 83).
La chiesa è preceduta da un portico a 5 arcate su alte colonne antiche con capitelli corinzi.
In origine era costituita da un ambiente circolare circoscritto da due ambulacri concentrici separati da due giri di colonne. L'ambulacro esterno era intersecato da 4 bracci a croce greca. Innocenzo II aggiunse un portico di ingresso e le tre grandi arcate trasversali dell'area interna utilizzando due altissime colonne antiche di granito per sostenere la copertura lignea pericolante. Niccolò V, nel 1453, fece operare da Leon Battista Alberti, il rifacimento della chiesa eliminando l'anello esterno e 3 dei bracci della croce greca, riducendone il diametro da 60 a 40 metri.
Interno
Interno
Si entra dall'unico braccio superstite, in un ambulacro circolare limitato da un muro in cui si vedono ancora le colonne che lo separavano dall'anello più esterno.
La chiesa è illuminata da 22 finestre centinate risalenti al restauro di Niccolò V.
Tutt'intorno alle pareti della chiesa corre il Martiriologio, un impressionante affresco realistico sui supplizi subiti dai martiri, opera del Pomarancio e del Tempesta, tipico soggetto della Controriforma.
A sinistra dell'ingresso la Cattedra antica sedia marmoreadetta di San Gregorio Magno; Proseguendo a destra, la cappella dei SS. Primo e Feliciano con un'abside a mosaico del VII secolo, rappresentante un Cristo sovrapposto alla croce fra i due santi.
