O território onde hoje se encontra a igreja ocupava grande parte das antigas Termas de Diocleciano, mas em 1561 o Papa Pio IV, a conselho do padre Antonio Lo Duca, mandou construir ali um magnífico templo. Este lugar foi escolhido para uma visão que o próprio padre teve. Um feixe de luz, de fato, com sete mártires mortos durante a construção dos próprios banhos, apareceu para ele naquele exato momento. É por isso que Lo Duca quis a todo custo que a nova igreja fosse dedicada tanto aos Mártires quanto aos Anjos, aos quais ele era particularmente devoto.
Um Michelangelo de 86 anos, encarregado dessa tarefa, projetou a estrutura integrando magistralmente o edifício sagrado com os banhos. Por exemplo, a fachada côncava não é outra senão uma das antigas absides do calidário termal.
No piso esplêndido, em 1702, o Papa Clemente XI inaugurou um relógio de sol de 45 metros (que indica o meio-dia, a mudança das estações e até algumas constelações), de Francesco Bianchini, inspirado no astrônomo Gian Domenico Grassini.
Até hoje, a basílica é reconhecida como um local dedicado às celebrações oficiais da República Italiana, precisamente pela sua importância histórica, religiosa e cultural que permitiu a sua transformação num ponto de referência para a unidade espiritual da Itália.