La basilica fu fatta costruire nel 442 da Licinia Eudossia, moglie di Valentiniano III, allo scopo di custodirvi le catene di san Pietro, ancor oggi visibili nella teca conservata sotto l'altare maggiore. Secondo la leggenda, si tratterebbe di due diverse catene - una proveniente dal carcere di Gerusalemme l'altra dal carcere Mamertino di Roma - che si sarebbero miracolosamente saldate nel corso di una cerimonia celebrata da papa Leone I. La modesta facciata cinquecentesca è preceduta da un portico a cinque arcate, chiuso da cancellata e sorretto da pilastri ottagonali; al centro si apre il quattrocentesco portale marmoreo  e sulla sinistra si trova la canonica. L'interno della chiesa è di dimensioni imponenti, composta da tre navate divise tra loro da venti colonne scanalate di marmo antico con capitello dorico e base ionica. La volta ribassata della navata centrale mostra un grande affresco di Giovanni Battista Parodi. La navata laterale di sinistra reca invece molte ricche sepolture di personaggi importanti della gerarchia ecclesiastica. In fondo alla navata laterale destra è collocato il Mausoleo di Giulio II, realizzato da Michelangelo, dove campeggia il suo celeberrimo Mosè, capolavoro assoluto del Rinascimento, affiancato dalle statue di Lia e di Rachele situate entro le nicchie che furono in seguito ultimate da Raffaello da Montelupo. Si narra che Michelangelo, terminato di scolpire il suo Mosè, lo vide talmente perfetto che, colpendolo con il martello, gli urlo: "Perchè non parli?".