万神庙始建于公元前27年的罗马共和国时期，该庙由屋大维的副手阿格里巴所建，为的是纪念屋大维打败安东尼和克利奥帕特拉。相传这座最初的庙宇在公元69年12月19日被大火焚毁，直到公元125年才由喜爱建筑的罗马皇帝哈德良下令重建。上边的铭文刻着M·AGRIPPA·L·F·COS·TERTIVM·FECIT（卢奇乌斯之子马库斯·阿格里帕在第三次担任执政官时所建），但已很难考证这部分是否来自阿格里帕时代。

公元609年东罗马帝国皇帝将万神庙献给教宗博義四世，后者将它更名为“圣母与诸殉道者教堂”，这也是今天万神庙的正式名称。为铲除异教影响，三角楣上的浮雕和庙内的众神雕像被捣毁，但建筑保留了下来。这一时期虽然庙内的大理石和穹顶上的镀金青铜板屡次被盗，但最终都重新寻获。中世纪时期门廊正上方加盖了一座钟塔。

文艺复兴时期该建筑物成为了意大利建筑师们殷切学习的对象；1435年，東罗马元老院宣布对该建筑进行保护。

17世纪中叶，当聖座准备重建聖伯多祿大殿时，教宗乌尔巴諾八世将门廊天花板上的镀金青铜板拆下来熔化，用来建造圣伯多祿大殿主祭坛上的天盖，以及聖天使城堡的80门大炮。乌尔巴諾八世为了仿造其他中世纪时期的教堂，下令拆除中世纪钟塔，并在门廊两侧建两座巴洛克风格的钟塔。这些作为都引起了罗马人的不满，拉丁谚语“蠻族没做的事，巴貝里尼做了”（「Quod non fecerunt barbari, fecerunt Barberini」）由此而来。巴貝里尼（Barberini）是乌尔巴諾八世的姓氏。

不过意大利人最终还是报了仇：在为意大利第一位国王维托里奥·埃马努埃莱二世造墓时，人们特地熔化了聖天使城堡的一尊大炮来做墓地装饰，象征性地夺回了万神廟的青铜；而两座钟塔也最终在1883年被拆除。

万神庙今天还是意大利的一个教堂，这里定期举行弥撒以及婚礼庆典，但同时它又是世界各国游客们竞相参观的对象，以及建筑史上重要的里程碑。