La Chiesa venne edificata su una parte della caserma romana dei Castra Peregrina, in corrispondenza di un mitreo risalente al 180 e rimesso in luce nel 1973-1975. La costruzione fu voluta da papa Leone I. L'edificio aveva pianta circolare, costituita in origine da tre cerchi concentrici: uno spazio centrale delimitato da un cerchio di 22 colonne architravate, sulle quali poggia un tamburo; questa parte centrale era circondata da due ambulacri più bassi ad anello, di cui, il più interno, delimitato da un secondo cerchio di colonne collegate da archi, oggi inserite in un muro continuo, e il più esterno (scomparso), chiuso da un basso muro. Dai corridoi, a cui si accedeva dall'esterno mediante otto piccole porte, si passava agli ambienti radiali della croce greca, e da qui allo spazio centrale, coperto con volte autoportanti. Gli interni erano riccamente decorati con lastre di marmo. Nello spazio centrale si trovava un altare recintato.Tra il 523 e il 529, la Chiesa fu ornata da mosaici e rivestita in marmi preziosi. Il catino absidale venne decorato da un mosaico a fondo d'oro, sul quale sono raffigurati i due santi ai lati di una croce gemmata, sormontata da un medaglione col busto del Cristo su cielo stellato, con la mano di Dio che offre la corona del martirio. Il mosaico, uno dei pochi esempi di quest'epoca ad essersi conservato a Roma, fu probabilmente eseguito da un artista di origine bizantina. La Chiesa decadde nei secoli successivi e perse le coperture originarie. Dal 1958 è sottoposta scavi archeologici e restauri.