Nel 1541 il sacerdote siciliano Antonio del Duca ebbe una visione di santi che chiedevano venisse realizzata una basilica per commemorare gli angeli e i martiri che tradizionalemnte si credeva fossero stati impiegati nella costruzione delle Terme di Diocleziano.
Il sacerdote avanzò ripetute richieste alla Santa Sede ma solo nel 1561 il papa Pio IV decise di procedere con il progetto, consacrò alcuni ambienti delle Terme ed affidò i lavori Michelangelo Buonarroti.
Michelangelo restaurò il Tepidarium ed alcuni ambienti circostanti rispettando le strutture originali. Morì il 18 febbraio 1564 e la direzione dei lavori passò a Jacopo del Duca, allievo dell'artista e nipote del sacerdoe che aveva promosso la fondazione della Basilica.
Negli stessi anni i Certosini ai quali Pio IV aveva affidato la nuova chiesa costruirono il convento ed il chiostro grande.
Sul finire del XVI secolo la Basilica aveva un pavimento in mattoni, rivestito nell'abside di marmi pregiati ed un nuova altare aveva sostituito quello provvisorio realizzato nel 1561 per la consacrazione.
Per oltre un secolo la chiesa non subì ulteriori modifiche fino al 1700 quando fu realizzata la cappella di San Brunone.
In occasione dell'Anno Santo 1750 fu affidato a Luigi Vanvitelli il compito di restaurare Santa Maria degli Angeli e di arricchirla di nuove decorazioni, lavori che conferirono alla Basilica l'aspetto attuale.
Dopo la presa di Porta Pia la chiesa venne acquisita dallo Stato e destinata ad ospitare le cerimonie ufficiali. Questo carattere ufficiale della chiesa è sottolineato dalla presenza dei monumenti funebri di alcuni importanti personaggi laici, fra i protagonisti della prima guerra mondiale.


Alcuni monumenti funebri presenti nella Basilica

Pio IV - di Alessandro Cioli - 1583
Vittorio Emanuele Orlando - di Pietro Canonica - 1953
Paolo Thaon de Revel - di Pietro Canonica - 1953
Armando Diaz - di Antonio Munoz - 1929
Carlo Maratta - di Francesco Maratta - 1704
Cardinale Francesco Alciati - di G.B. della Porta -1580
Salvator Rosa - di Bernardino Fioriti - 1673
Cardinale Giovanni Antonio Serbelloni - di Alessandrio Cioli - 1583


Alcune opere d'arte presenti nella Basilica

Hendrick Van der Broek - Noli me tangere (Tavola - 1579)
Jean Antoine Houdion - San Brunone di Colonia (Statua - 1768)
Nicolò Ricciolini - Crocifissione di San Pietro
Pierre Charles Tremolliere - Caduta di Simon Mago
Francesco Mancini - San Pietro risuscita Tabita
Ercole Graziani - Il Beato Niccolò Albergati
Pietro Bianchi - Immacolata e Santi
Placido Costanzi - Risurrezione di Tabita
Pompeo Batoni - Caduta di Simon Mago - 1755
Piette Subleyras - Messa di San Basilio
Giovanni Odazzi - Vergine e i SS. Bruno e Pietro - 1700
Andrea Procaccini - Evangelisti (affresco - 1700)
Giulio Mazzoni - Visione dell'inferno
Giovanni Francesco Romanelli - 1640 - Presentazione di Maria al Tempio
Pomarancio - Castigo di Anania e Safira - 1605
Domenichino - Martirio di San Sebastiano - 1629
Luigi Garzi (attribuiti) - Storie e trionfo di San Brunone