La basilica, secondo la tradizione, venne fondata da papa Callisto I (217 - 222), nel luogo in cui dal terreno sgorgò dell'olio, e compiuta da Giulio I (337 - 352). Durante l'VIII e IX secolo, vennero aggiunte le navate laterali, risistemato il presbiterio e scavata la confessione, nella quale furono poste le spoglie di alcuni martiri tra cui quelle di san Callisto, fondatore della basilica.

La struttura architettonica attuale risale alla ricostruzione effettuata nel 1138 - 1148, con materiale in parte di spoglio proveniente dalle Terme di Caracalla, e voluta da papa Innocenzo II (1130 - 1143). Il pontefice non riuscì a vedere il compimento e decorazione della basilica, ma lasciò, tuttavia, i mezzi economici necessari per condurre a termine i lavori.

La facciata conserva nella parte superiore un mosaico del XIII secolo, raffigurante Maria in trono che allatta il Bambino: è affiancata da dieci donne recanti lampade. La facciata è preceduta dal portico progettato da Carlo Fontana (1702).

Sulla sommità del campanile romanico, si vede un mosaico raffigurante la Madonna col Bambino, in una nicchia.

All'interno, a tre navate su colonne ioniche e corinzie architravate, si notano il bel soffitto ligneo, disegnato da Domenichino (autore anche dell'Assunzione al centro) e alcune pitture risalenti al restauro del XIX secolo, sotto papa Pio IX. Nella prima cappella della navata destra si trova Santa Francesca Romana di Giacomo Zoboli mentre nella seconda cappella la Natività di Etienne Parrocel.

Nella conca dell'abside si può ammirare un mosaico raffigurante la Vergine e Cristo assisi sullo stesso trono (XII secolo), ornato, nella parte inferiore, da Storie della Vergine, sempre a mosaico, opera di Pietro Cavallini (1291).