L'area in cui sorge la basilica di San Paolo fuori le mura, al 2º miglio della via Ostiense, era situata presso l'argine del Tevere dove esisteva un'area portuale nota ora come "Darsene di Pietra Papa" attivo tra I° secolo a.C. e II d.C.,[1] costituendo un nodo di un antico reticolo viario (via Ostiense, via Laurentina, via che conduceva alla via Appia, via Grotta Perfetta e oltre l'argine l'antica via Campana). Nelle immediate vicinanze, come emerso dalle ispezioni archeologiche anteriori alla costruzione del nuovo ospedale Bambino Gesù, erano presenti resti di una proprietà di pertinenza di una villa romana di circa 1100 mq esistente tra il I° sec. a.C. e il III d.C. forse appartenente alla famiglia dei Calpurni Pisoni.
Il territorio era inoltre interessato da un vasto cimitero subdiale (da sub divos = sotto gli dèi, vale a dire a cielo aperto), in uso costante nell'era coincidente con l'attività del vicino porto fluviale, dal I secolo a.C. al III secolo d.C. ma sporadicamente riutilizzato, soprattutto per la costruzione di mausolei, fino alla tarda antichità. Era un cimitero esteso e comprendeva diverse tipologie di tombe, dai colombari di famiglia a piccole cappelle funerarie spesso affrescate e decorate con stucchi. La quasi totalità di quest'area sepolcrale è ancora sepolta (per la gran parte sotto il livello del vicino Tevere), ed è stimata estendersi sotto tutta l'area della basilica e della zona circostante. Una minima ma significativa parte di essa è visibile lungo la Via Ostiense, appena fuori del transetto nord della basilica

È nell'area dove sorge l'attuale basilica, un non meglio identificato Praedium Lucinae posto lungo la via Ostiense, che una consolidata tradizione cristiana[2] afferma che Paolo di Tarso grazie all'intervento della matrona Lucina[3], sia stato sepolto all'interno della proprietà di costei, dopo aver subito il martirio per decapitazione non lungi da questo luogo, presso la località nota come Acque Salvie oggi Tre Fontane, dove sorge l'omonima Abbazia.
Sia Paolo che Pietro sarebbero caduti vittime della persecuzione neroniana seguita al grande incendio di Roma del 64. Secondo alcune teorie i due sarebbero stati martirizzati proprio nel 64, dopo l'incendio. Secondo Eusebio di Cesarea invece i due sarebbero stati uccisi nel 67. Come per il sepolcro di Pietro anche quello di Paolo divenne immediatamente oggetto di venerazione per la nutrita comunità cristiana di Roma che relativamente presto eresse, sulle tombe dei due, dei piccoli monumenti funerari. Eusebio di Cesarea riporta nella sua Storia ecclesiastica un passo di una lettera di Gaio, presbitero sotto papa Zefirino, che cita i due trofei posti sopra le tombe degli apostoli, uno sul colle Vaticano e l'altro lungo la Via Ostiense.

Il luogo, meta di pellegrinaggi ininterrotti dal I secolo, venne monumentalizzato, come testimoniato dal Liber Pontificalis, dall'imperatore Costantino I, con la creazione di una piccola basilica, di cui si conserva solo la curva dell'abside, visibile nei pressi dell'altare centrale della basilica attuale ed orientato in direzione opposta all'attuale. Doveva trattarsi di un piccolo edificio probabilmente a tre navate, che ospitava in prossimità dell'abside la tomba di Paolo, ornata da una croce dorata.

La basilica di Costantino venne consacrata il 18 novembre 324 durante il pontificato di Silvestro I, e si inserisce nella serie di basiliche costruite dall'imperatore dentro ma soprattutto fuori della città, ed è la seconda fondazione costantiniana in ordine di tempo, dopo la cattedrale dedicata al Santo Salvatore (l'attuale basilica di San Giovanni in Laterano).

La basilica di San Paolo costantiniana risultò nel tempo inadeguata per la folla dei pellegrini che vi si recavano; essa era molto più piccola rispetto alla coeva basilica di San Pietro. Venne quindi ricostruita completamente sotto il regno congiunto degli imperatori Teodosio I, Graziano e Valentiniano II (391), e tale struttura rimarrà sostanzialmente intatta fino al disastroso incendio del 1823.

La costruzione venne affidata a Ciriade professor mechanicus che costruì un edificio a cinque navate, con 80 colonne e un quadriportico che si differenziava dal precedente, oltre che per le dimensioni anche per l'opposto orientamento dell'abside, che la basilica mantenne anche dopo l'incendio del 1823. La basilica fu consacrata da papa Siricio nel 390 e venne completata sotto l'imperatore Onorio nel 395.

Successive aggiunte, come l'arco trionfale retto da colonne monumentali e lo splendido mosaico che lo decorava, sono attribuibili rispettivamente ai restauri compiuti da Galla Placidia e agli interventi di papa Leone I. Quest'ultimo fece realizzare i tondi con i ritratti papali che correvano sopra le arcate della navata centrale; alcuni di essi, sopravvissuti all'incendio, sono conservati nella Raccolta De Rossi, nell'attiguo monastero, insieme ad altri restaurati nel corso dei secoli. Nel programma musivo leoniano erano comprese anche scene dell'Antico Testamento e degli Atti degli Apostoli rispettivamente sulla navata destra e sinistra, e l'arco absidale con il Cristo entro un clipeo che regge una Croce, e dodici Vegliardi dell'Apocalisse ai suoi lati, e le immagini di San Pietro e San Paolo nei pennacchi, soggetto ripreso dal rifacimento successivo all'incendio. Una testa di San Pietro a mosaico, potentemente espressiva, per anni ritenuta facente parte della facciata della basilica vaticana e oggi conservata nelle Grotte Vaticane, è stata riconosciuta come parte della figura dell'apostolo sull'arco absidale. A papa Leone I va anche attribuito un rialzamento del transetto, per il quale fu necessario innalzare il punto devozionale corrispondente alla tomba dell'apostolo.

A papa Simmaco si deve la ristrutturazione dell'abside pericolante e la realizzazione di "habitacula", delle dimore per i pellegrini più poveri, rinnovate poi da papa Sergio I.

Sotto il pontificato di papa Gregorio I la basilica venne modificata drasticamente. Il livello pavimentale venne rialzato, soprattutto nel settore del transetto, per realizzare l'altare direttamente sopra la tomba di Paolo (in precedenza l'altare doveva trovare la sua collocazione presso la navata centrale, mentre sulla tomba vi era un basso monumento, racchiuso da transenne marmoree). Un'operazione del tutto analoga fu compiuta per la basilica di San Pietro. L'esito fu quello di poter realizzare anche una Confessione, cioè un piccolo accesso posto sotto il livello del transetto, dal quale si poteva raggiungere la tomba dell'apostolo.

Ad Adriano I si deve il rifacimento del pavimento dell'atrio, e al suo successore Leone III la collocazione del primo pavimento in marmo. Nel IX secolo per preservare la basilica Giovanni VIII la fa circondare da una cinta di mura fortificata con torri, creando un vero e proprio borgo soprannominato "Giovannipoli". Nell'XI secolo viene eretto il campanile accanto alla navata nord dalla parte della facciata. La basilica si impreziosì poi di un ciborio, realizzato nel 1285 da Arnolfo di Cambio, della struttura del chiostro e di un candelabro per il cero pasquale.

Sotto Clemente VIII, nel 1600, fu costruito l'altare maggiore e nel 1724 Benedetto XIII fece costruire la Cappella del Crocifisso, oggi intitolata al Santissimo Sacramento, per accogliere un crocifisso ligneo del XIV secolo, attribuito a Tino di Camaino.

Nel dicembre 1787 Goethe durante la sua seconda visita a Roma visita la chiesa e nel suo Viaggio in Italia ne lascia una descrizione, che è anche un prezioso documento, essendo la descrizione della chiesa prima dell'incendio di alcuni decenni dopo:

La notte del 15 luglio 1823 nella basilica si sviluppò un incendio che durò cinque ore circa, distruggendone una gran parte.[4] Il rogo fu provocato dalla negligenza di uno stagnaio, che, dopo aver aggiustato le grondaie del tetto della navata centrale, dimenticò acceso il fuoco che aveva usato per il lavoro. Un buttero, Giuseppe Perna, che pascolava il bestiame nelle vicinanze lanciò l'allarme quando l'incendio era comunque già avviato. Avvisati da Perna, i Vigili del Fuoco, al comando del marchese Origo, arrivarono in circa due ore.

Dopo l'incendio rimasero in piedi poche strutture. Il transetto miracolosamente aveva retto al crollo di parte delle navate e resistito alle altissime temperature dell'incendio, preservando in buona parte il ciborio di Arnolfo di Cambio ed alcuni mosaici. Si salvarono anche l'abside, l'arco trionfale, il chiostro e il candelabro, ma si dovettero ricostruire gran parte delle strutture murarie. Andò invece irrimediabilmente distrutto lo splendido ciclo di affreschi nella navata centrale di Pietro Cavallini, a ciò si aggiunse l'abbattimento del trecentesco campanile rimasto indenne dalle fiamme. In quell'epoca il dibattito sulle varie teorie del restauro era già piuttosto avanzato rispetto alla scarsa attenzione del passato. Per questo e anche per espressa volontà dei Papi (v. più avanti), pur con l'utilizzo di nuovi materiali reso necessario dall'entità della distruzione, la ricostruzione rispecchiò fedelmente l'architettura dell'antica basilica costantiniana, di modo che tra le quattro principali basiliche romane quella di San Paolo è quella che maggiormente richiama la forma della basilica iniziale.

Durante la notte del 15 luglio Pio VII, che era caduto il 6 luglio fratturandosi un femore,[5] era in agonia e non gli venne comunicata la notizia dell'incendio. Morirà il 20 agosto.[6]

La ricostruzione fu voluta da Leone XII, che il 25 gennaio 1825 emanò l'enciclica Ad plurimas nella quale invitava i vescovi ad una raccolta di offerte presso i fedeli per la ricostruzione. All'appello rispose buona parte del mondo cristiano, con offerte generose tra le quali quelle del Re di Sardegna, della Francia, delle Due Sicilie, dei sovrani dei Paesi Bassi, dello zar Nicola I che offrì i blocchi di malachite dei due altari laterali del transetto e del viceré d'Egitto che inviò le colonne d'alabastro. Proprio il dono dello zar fece sì che non si potesse più collocare nella chiesa l'altare a cui avevano lavorato Camillo Rusconi e Luigi Mirri, che venne così donato da Pio IX alla cattedrale di Santa Croce a Forlì in occasione di un suo viaggio in quella città, nel 1857.[7]

Lo stesso Leone XII, in un chirografo del 18 settembre 1825 pose le basi per il progetto:

I lavori, diretti dall'architetto Pasquale Belli (che lavorava su un progetto iniziale di Giuseppe Valadier) poterono iniziare l'anno successivo, con la demolizione dell'Arco di Galla Placidia e il reinserimento del quadriportico. L'attuale aspetto della basilica è però dovuto, in massima parte, all'architetto Luigi Poletti. Una prima consacrazione avvenne il 5 ottobre 1840 ad opera di Gregorio XVI, che dedicò solennemente l'altare della Confessione, ma l'intera basilica venne consacrata da Pio IX il 10 settembre 1854, alla presenza di un gran numero di cardinali e di vescovi, presenti a Roma per la proclamazione del Dogma dell'Immacolata Concezione.

I lavori comunque andarono oltre, entro il 1874 furono completati i mosaici della facciata, mentre solo nel 1928 fu aggiunto il vasto quadriportico esterno, disegnato da Guglielmo Calderini e Giuseppe Sacconi.

Il 23 aprile 1891 lo scoppio della polveriera del Forte Portuense mandò in frantumi le vetrate a colori eseguite da Antonio Moroni nel 1830: al loro posto furono sistemate sottilissime lastre di alabastro donate da re Fuad I d'Egitto.

Nel dicembre 2006 furono ultimati alcuni lavori di ristrutturazione nella zona davanti all'altare papale, più bassa rispetto al pavimento della basilica: con la demolizione dell'altare che era presente in questa zona, è stato reso in parte visibile il sarcofago marmoreo che si trova sotto l'altare papale e che, secondo la tradizione, contiene i resti mortali dell'apostolo Paolo. È anche visibile la traccia della piccola abside appartenente alla chiesa più antica e orientata in senso contrario rispetto alla basilica attuale (l'abside era anticamente rivolta verso ovest, mentre oggi è rivolta verso est).

All'interno della basilica sono stati inumati a tutt'oggi solo due papi: san Felice III e Giovanni XIII.