La prima chiesa in questo posto fu chiamata Santa Maria a Magnanapoli ed era stata costruita prima dell'XI secolo. Appartiene all'ordine delle monache domenicane del convento di San Sisto alle Terme di Caracalla (detto San Sisto Vecchio).

L'attuale chiesa è stata costruita per volere di papa Pio V, un domenicano egli stesso. I lavori di costruzione iniziarono nel 1569, nel 1575 iniziarono quelli del convento. L'originale piano doveva essere un lavoro di Giacomo della Porta, però il lungo periodo di costruzione (i lavori terminarono solamente nel 1663) impiegò anche altri architetti. La parte inferiore fu disegnata da Nicola Torriani e quella superiore da Torriani o da Vincenzo della Greca. Della Greca senza dubbio costruì la facciata in travertino barocco nel 1646, con suo fratello Felice, però la doppia scala del 1654 è attribuita a Orazio Torriani. Nella facciata sono inserite quattro statue: le due statue inferiori raffigurano san Tommaso d'Aquino e san Pietro da Verona e sono di Carlo Maderno, mentre le due statue superiori raffigurano san Domenico e san Sisto II papa e sono di Marcantonio Canini.

Gian Lorenzo Bernini disegnò l'altare maggiore, la prima cappella del lato sud, l'altare di questa cappella e il gruppo di sculture Noli me tangere per questa cappella nel 1649 (a scolpire però non fu materialmente lui ma il suo allievo Antonio Raggi). L'affresco sul soffitto, L'apoteosi di san Domenico, è stato dipinto nel 1674 da Domenico Maria Canuti, con trompe l'oeil realizzati da Enrico Haffner. Nelle altra cappelle opere di Pier Francesco Mola, Francesco Allegrini, Benozzo Gozzoli.