Locul ales de Iulius a fost un teren viran din Roma unde fusese circul lui Nero. În secolul IV, Constantin cel Mare construise aici o biserică impunătoare, deoarece tradiția creștină (susținută și de indicii arheologice) afirmă că aici fusese îngropat Sfântul Apostol Petru.
Cum, după unsprezece secole, basilica ridicată de Constantin ajunsese aproape o ruină, Papa Nicolae V a pus în jurul anului 1450 fundația unei biserici noi, după planurile lui Bernardo Rossellino și ale lui Leon Battista Alberti. Însă proiectul a fost abandonat de următorii papi, timp de cincizeci de ani, până la pontificatul lui Paul II, care l-a continuat.
Iulius II, succesorul său, după ce a analizat proiectele celor mai faimoși arhitecți ai vremii, l-a ales pe cel al lui Donato Bramante, care prevedea construirea unei uriașe cupole în mijlocul edificiului.
Papa a pus prima piatră pe 18 aprilie 1506. Se ridică patru pilaștri.
După moartea lui Iulius și a lui Bramante, Leon X i-a ales ca arhitecți pe Giuliano de Sangallo, pe călugărul dominican Giocondo și împreună cu ei pe Rafael din Urbino, pentru geniul desenelor sale.
Aceștia s-au limitat însă doar să consolideze temeliile în jurul pilaștrilor, deoarece le considerau prea fragile pentru a suporta imensa cupolă.
Moartea acestor trei artiști celebri l-a obligat pe Papa Leon să îi înlocuiască cu Baldassare Peruzzi din Siena, care a modificat planul basilicii din cauza costurilor uriașe presupuse de proiectul lui Bramante, care era în formă de cruce latină (verticala mai lungă decât orizontala): Peruzzi a redus-o la forma de cruce greacă (verticala și orizontala egale).
Abia după moartea lui Leon X și a succesorului său, Adrian VI, în timpul pontificatului lui Clement VII, Peruzzi a terminat tribuna începută de Bramante. Pe scaunul papal a urmat Paul III, care l-a ales ca arhitect pe Antonio de Sangallo, care a modificat din nou planul în formă de cruce latină, conform primului proiect al lui Bramante.
După moartea lui Sangallo, Paul III i-a încredințat construcția lui Michelangelo, care a revenit la crucea greacă, a mărit tribuna și cele două brațe ale altarului transversal. De asemenea, a conceput și o formă nouă pentru cupolă, începând lucrul efectiv la ea, iar succesorii săi s-au conformat proiectului acestuia. Michelangelo visa și o fațadă asemănătoare celei a Panteon, însă moartea l-a împiedicat să-și finalizeze planul.
Buonarotti a fost înlocuit de Jacopo Barozzi da Vignola și de Pirro Ligorio, cărora li s-a impus să se conformeze planurilor marelui artist, ceea ce au făcut cu cea mai mare exactitate.
Însă abia succesorul celor doi, Giacomo de la Porta, ales de Papa Grigore XIII, a reușit să termine cupola, sub pontificatul lui Sixt V.
Clement VIII l-a folosit pe Giacomo de la Porta pentru a realiza mozaicurile cupolei, stucaturile bolții și a acoperi podeaua cu diverse tipuri de marmură.
Paul V a fost cel care a terminat basilica, apelând la Carlo Maderno: acesta a revenit încă o dată la forma de cruce latină, abandonând planul lui Michelangelo în favoarea celui al lui Bramante. Maderno a realizat și porticul și fațada.
Gian Lorenzo Bernini a adăugat, în timpul pontificatului lui Alexandru VII, magnificul portic care înconjură piața în care Sixt V ridicase obeliscul existent și azi.
Basilica a fost consacrată de Papa Urban VIII pe 18 noiembrie 1626, după 120 de ani de la așezarea primei pietre.
Costurile totale ale catedralei, cu o suprafață de 2,3 hectare, cu o capacitate de 60.000 de persoane, cu greu pot fi evaluate. Cert este însă că, pentru a strânge banii necesari, ctitorul Iulius II a dezvoltat traficul cu indulgențe, una dintre nemulțumirile care au dus la apariția Reformei și ruperea Bisericii Catolice.
