La chiesa sorge sul luogo dove, secondo la tradizione, l’apostolo Pietro fu crocifisso. Fondato nel IX secolo, l’edificio fu poi completamente ricostruito alla fine del Quattrocento dai frati francescani, ai quali appartiene tuttora il complesso di chiesa e monastero.
La nuova struttura fu finanziata dai reali di Spagna, Ferdinando V e Isabella di Castiglia, tra il 1481 e il 1500. Nel 1876 il convento fu ceduto alla Spagna, alla quale ancora appartiene, che ne ha fatto la sede della Reale Accademia di Spagna.

La chiesa presenta una facciata semplice ed elegante in stile rinascimentale, con un rosone gotico centrale e una scalinata a doppia rampa che conduce al portale di ingresso, attribuita alla scuola di Andrea Bregno o a Meo del Caprina.

L’interno è a navata unica, con cinque cappelle laterali sia a destra sia a sinistra, progettate dai grandi architetti dell’epoca come Giorgio Vasari (1511-1574) e Gian Lorenzo Bernini (1598-1680).

Nella prima cappella a destra si trovano le due opere più importanti della chiesa: un dipinto a olio su muro di Sebastiano del Piombo (1485-1547), eseguito intorno al 1518, su disegno forse di Michelangelo (1475-1564), raffigurante la flagellazione di Cristo; nel catino si trova una Trasfigurazione, opera del medesimo artista.

Nel primo cortile del convento si trova il maestoso tempietto che Donato Bramante (1444-1514) realizzò tra il 1502 e il 1509, proprio sul luogo dove la tradizione vuole che fosse stato crocifisso a testa in giù San Pietro.