Konstantinus Suuri 4. vuosisadan alussa käski rakentaa temppelin apostoli Pietarin haudalle. Tämä ensimmäisen Rooman kristillisen keisarin halu selittyi sillä, että Kristuksen seuraajat kunnioittivat aina ristiinnaulitun apostoli Pietarin hautaa. Rakentaminen jatkui useita vuosikymmeniä paavi Sylvester I: n valvonnassa, ja se valmistui vuonna 349. Temppeli nimettiin Konstantinuksen basilikaksi - rakennuksen aloittaneen keisarin kunniaksi.
Vuonna 846 arabi-merirosvot ryöstivät temppelin. Tämä tapahtuma sai paavi Leo IV: n pystyttämään basilikan ja viereisten rakennusten ympärille puolustavan seinän. Tämä ajatus hyväksyttiin myöhemmin Vatikaaniin, paavin kaupunkivaltioon.
1500-luvun alkuun mennessä basilika oli hyvin rappeutunut ja päätettiin, että sen palauttaminen oli liian kallista ja perusteetonta. Kaupunkilaisten tyytymättömyydestä huolimatta paavi Julius II käski tuhota basilikan ja sen tilalle uuden kirkon. Projektin kirjoittaja on Donato Bramante. Uusi katedraali rakennettiin yli vuosisadan ajan, ja rakennusta valvoivat monet suuret mestarit, joista Raphael ja Michelangelo voidaan erottaa.
1600-luvun alussa rakennustyöt suoritettiin arkkitehti Carlo Madernon valvonnassa, joka Paavali V: n suostumuksella muutti temppelin rakennetta perusteellisesti ja korvasi rakennuksen muodon kreikkalaisesta rististä latinaksi. Tämä liike on lisännyt Pietarinkirkon kapasiteettia.
Pääalttari sijaitsee apostolin haudan yläpuolella, joka sijaitsee temppelin keskellä. Se sijaitsee Michelangelon suunnitteleman kupolin alla. Takana näet norsunluusta ja puusta tehdyn valtaistuimen. Pyhän Pietarin uskotaan istuneen tällä valtaistuimella ollessaan Rooman paavi. Katedraali on tehty barokkityyliin, suurimman osan yksityiskohtien kirjoittaja on Lorenzo Bernini.
Paavit haudataan katedraalin vankilaan. Viimeinen hautaaminen tapahtui vuonna 2005, jolloin Johannes Paavali II kuoli. Kaiken kaikkiaan 148 paavia löysi viimeisen turvapaikkansa Pietarinkirkosta.
