Bazilica a fost construită din ordinul împăratului Constantin cel Mare, pe locul unui fost memorial aflat pe mormântul Sfântului Pavel (Paul). Acest edificiu a fost extins în anul 370, sub domnia lui Valentinian I.

În anul 386 împăratul Teodosiu I a început ridicarea unei bazilici mai mari, însă lucrarea, incluzând mozaicurile, nu a fost terminată până la pontificatul lui Leon I. Poetul Prudențiu a descris monumentul în câteva fraze expresive. Fiind dedicată și sfinților Taurinus și Herculanus, martiri în Ostia secolului al V-lea, aceasta poartă și denumirea de „bazilica celor trei domni”.

Din bazilica antică nu s-au păstrat decât partea interioară a absidei, cu arcul triumfal și mozaicurile din interiorul acestuia. Mozaicurile din absida și din tabernacolul mărturisirii lui Arnolfo di Cambio datează din secolul al XIII-lea. În vechea bazilică fiecare papă își avea propriul portret într-o porțiune ce se întindea deasupra coloanelor, despărțind cele patru arcade de navă.

În 937, când Odo de Cluny a venit la Roma, Alberic II de Spoleto, patrician din Roma, a încredințat mănăstirea și bazilica congregației acestuia, iar Odo l-a așezat la conducere pe Balduino de Monte Cassino. Papa Grigore al VII-lea a fost abate al mănăstirii. În timpul lui au fost executate porțile de bronz ale bazilicii, de către un artist constantinopolitan. Papa Martin al V-lea a încredințat mănăstirea călugărilor benedictini de la Monte Cassino. Jurisdicția abatelui se va întinde și asupra altor zone precum districtul Civitella San Paolo, Leprignano si Nazzano.

Curtea interioară a mănăstirii a fost realizată între anii 1220 si 1241. Sacristia păstrează o statuie a papei Bonifaciu al IX-lea. În timpul papei Grigore cel Mare lânga bazilică se aflau doua mănăstiri: Sfântul Aristus, pentru călugări, și Sfântul Ștefan, pentru maici. Slujbele erau ținute de un sobor de preoți special aleși de papa Simplicius. De-a lungul timpului mănăstirile și clerul basilicii au decăzut. Papa Grigore al II-lea a restaurat mănăstirile și a încredințat călugărilor îngrijirea bazilicii.

Papii au continuat cu actele de binefacere către aceasta mănăstire. Deoarece bazilica avusese de suferit de pe urma invaziilor sarazinilor din secolul al IX-lea, papa Ioan al VIII-lea a fortificat bazilica, mănăstirea și locuințele țăranilor care formau atunci orașul Ioannispolis, care era menționat încă din secolul al XIII-lea.

Între anii 1251 și 1964 ansamblul arhitectonic a servit ca reședință a patriarhului latin de Alexandria.

În 1832 un foc ce a pornit din cauza neglijenței lucrătorilor care reparau acoperișul a cuprins întreaga bazilică. Alături de alte biserici din Roma, aceasta și-a conservat caracterul său inițial timp de 1435 de ani. Întreaga lume a contribuit la renovarea acesteia. Viceregele Egiptului a trimis pilaștri de alabastru, țarul Rusiei a trimis prețioasele malafituri din tabernacol. Lucrările de pe fațada principală, îndreptată spre Tibru, au fost terminate de guvernul italian, care a declarat bazilica drept monument istoric. Interiorul pereților navei sunt așternuți cu mozaicuri pe două rânduri prezentând scene din viața Sfântului Pavel.