Dès le IIe siècle il y avait sur la tombe de saint Paul un « trophée », c’est-à-dire un monument en l’honneur du martyr, sans doute un oratoire. Constantin construit une église, consacrée le 18 novembre 324 par le pape Silvestre.
L’édifice se montrant trop petit face à l’afflux des pèlerins, Valentinien II décide de construire une grande basilique. La construction commence sous Théodose Ier et est achevée sous Honorius. D’où le nom qu’on lui donnera de « basilique des trois empereurs ». Consacrée par le pape Sirice en 391, elle est gigantesque, et restera la plus grande basilique chrétienne jusqu’à la construction de la nouvelle basilique Saint-Pierre à la Renaissance.
En 1823 elle est en grande partie détruite par un incendie. Elle est reconstruite théoriquement « à l’identique », sur le même plan, mais avec des différences : piliers des nefs tous identiques, plafond en caissons… Les mosaïques de l’abside et de l’arc de triomphe sont reconstituées (avec plus ou moins de bonheur), celle de la façade est nouvelle. On pourrait l’appeler la « basilique des trois papes » puisque les travaux furent commencés sous Léon XII, continués sous Grégoire XVI qui consacra la nef transversale, et terminés sous Pie IX qui consacra l’ensemble le 10 décembre 1854 (ou des quatre papes si l'on inclut le très bref pontificat de Pie VIII).
Le cloître bénédictin du XIIIe siècle est resté intact.
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Elle n'est plus connue que sous le nom de "Saint-Paul" aujourd'hui