במקום שבו ניצבת כיום ברומא כנסיית הבזיליקה על שם סנט פטרוס, היה בעת העתיקה אצטדיון למרוץ מרכבות שנבנה בתקופתם של הקיסרים קליגולה, קלאודיוס ונירון, בשנות ה-50 למאה ה-1 לספירה. זה היה גם המקום שבו נירון הוציא להורג את הנוצרים הראשונים וביניהם פטרוס, שהגיע לרומא קודם לכן כשהוא מטיף ועושה נפשות לנצרות. נוצרים רבים הושלכו למאכל לחיות הטרף, רבים אחרים נצלבו וביניהם פטרוס. גופתו נקברה בשנת 64 בבית-קברות סמוך, שכיום נמצא מתחת לרצפת הבזיליקה בחזית המזבח.
לאחר שהנצרות הוכרה כדת חוקית בתקופת קונסטנטין במאה ה-4, הנוצרים המאמינים היו זקוקים למקומות תפילה - מבנים גדולים שיכילו את המאמינים הרבים החדשים שהצטרפו לנצרות. אחד המבנים הגדולים והחשובים ביותר היה הבזיליקה שבנה קונסטנטין מעל קברו של פטרוס על מורדות גבעת הוותיקן. מבנה זה שרד מאות בשנים עד לשנת 1500. המבנה היה במצב גרוע ביותר, ולכן האפיפיור יוליוס ה-2 החליט להחליפו במבנה חדש יפה יותר.
התכנית הראשונה של כנסיית סנט פטרוס החדשה שתכננו דונטו ברמנטה (Donato Bramante, 1444 - 1514)ומיכאלאנג'לו (Michaelangelo Buonarrot, 1475 - 1564) בוצעה רק בחלקה בראשית המאה ה-16. תכנית זאת הייתה של מבנה מרכזני, כעין צלב יווני וריבוע התוחם אותו. בשנת 1506 החלו העבודות, ורבים היו האמנים שהיו מעורבים בבנייה ובדקורציה. מיכאלאנג'לו תכנן את הכיפה שמעל למרכז הצלב. כאשר מיכאלאנג'לו מת, הבנייה של אזור הצלב היווני שמסביב לקברו של פטרוס והמזבח הושלמו רק בחלקם. גם החלונות בבסיס הכיפה הושלמו רק בחלקם. הכיפה שמיכאלאנג'לו תכנן כחצי כדור הוחלפה לצורה של חצי אליפסה וכיפה מוגבהת שהושלמה בשנת 1590. הצורה של חצי אליפסה (חצי אובל) מבשרת את ההעדפה של הצורות האובליות (דמויות הביצה) המאפיינות את סגנון הבארוק, על פני הצורות המושלמות (העגולות) המאפיינות את סגנון הרנסנס.
האפיפיור פאולוס ה-5 החליט שהתכנית של הצלב היווני איננה מתאימה והיא קטנה מדי.
על-פי בקשתו, בשנת 1606 האדריכל קרלו מדרנו (Carlo Maderno, 1556 - 1629) הסיר את הקיר הקדמי והרחיב את החזית המזרחית, בנה והאריך את הספינה המרכזית (nave), כלומר בית האורך של הבניין ב-106 מטרים, האגפים, המעברים המלווים את בית האורך (aisles), והנרטקס (narthex), בית הרוחב במערב הבניין והפך את הכנסייה למבנה בזיליקה, בדומה לתכנית של בזיליקת קונסטנטין הקדומה. שינוי התכנית המקורית איפשר גם את חיבורה של הכנסייה עם ארמון הוותיקן. האדריכל מדרנו עיצב גם את החזית החדשה. הבנייה הושלמה בשנת 1626. מכך שתכנית הקרקע של הכנסייה שתכננו ברמנטה ומיכאלאנג'לו נזנחה, משתמעת גם הזנחת התפיסה של תכנית של הכנסייה כסימבול לשלמות ולאוניברסליות של האל. עתה, הכנסייה קיבלה ערך חדש של תכנית קרקע בזיליקאית שהתאימה יותר לקהל המאמינים הגדול. מאוחר יותר ג'יאנו לורנצ'ו ברניני (GianlorenzzoBernini, 1598 - 1680) המשיך לעבוד על התכנית הזאת כדי להעניק לה יותר מאפיינים של הבזיליקות מתקופת הנצרות הקדומה. הוא כיסה את הקירות בעיטורים פוליכרומים של שיש, סטוקו, ברונזה וזהב, וקבע בה פסלים ענקיים. הוא גם הוסיף ריהוט ליטורגי של ברונזה (הבלדקין) בפרופורציות התואמות את המבנה הענקי.
החזית: קרלו מדרנו בנה חזית פתוחה המשתלבת עם החלל והכיכר הגדולה שלפניה. במרכזה של החזית 8 עמודים גליליים בעלי כותרת קורינתית, ובצדדים פילסטרים מרובעים, כולם נושאים את האנטבלטורה, שמעליה במרכז, גמלון קטן. אל הכיכר מובילות מדרגות.
החלל הפנימי: אורך הבזיליקה – 186 מטר, אורך הטרנספט, בית הרוחב במקום ההצטלבות - 140 מטר, רוחבם של שלושת האגפים – 58 מטר. החלל הפנימי הענקי יכול להכיל למעלה מ-90,000 איש. יש בו 39 פסלים גדולים המייצגים את הקדושים של המסדרים השונים. הפסלים נמצאים בגומחות אבל שלא על-פי המסורת הקלאסית הם פורצים את תחומי הגומחה אל החלל של הבזיליקה ומתקשרים עם פסלים שנמצאים אפילו מעברה השני של הספינה המרכזית (nave). משולבים גם אלמנטים עתיקים שהובאו מהבזיליקה הקונסטנטינית הישנה, כמו למשל אגן הטבילה. ברחבי הבזיליקה יש קברים רבים של האפיפיורים שנפטרו במהלך השנים. הקירות מחופים בשיש צבעוני, בציורים וגם במוזאיקות מתקופות קודמות. מבט כללי מעניין של הבזיליקה מהמערב למזרח מתואר בציורו שלפאולו פניני (Panini Paolo) מ- 1731.