Po skoraj 1200 letih je bila v 4. stoletju zgrajena Konstantinova bazilika, ki je stala nad grobom sv. Petra, statično v zelo slabem stanju. Zato sta že sredi 15. stoletja Bernardo Rosselino in Giuliano da Sangallo izdelala načrta za novo cerkev, vendar do začetka gradnje ni prišlo. Obnovljena je bila le apsida Konstantinove bazilike. Gradnja nove cerkve je nujno potrebna, se je odločil papež Julij II. (1503-13), ki je želel v apsido cerkve postaviti svoj nagrobni spomenik. Michelangelo je zanj načrtoval izjemno bogato arhitekturno-kiparsko celoto, ki bi le stežka našla mesto v stari apside bazilike.

Načrt za novo Petrovo cerkev je izdelal Donato Bramante, ki ga je papež Julij II. s tem namenom poklical v Rim. Vendar Bramantejev načrt ni navdušil kurije, ki se je počutila preveč navezana na staro, Konstantinovo baziliko. Bramante si je zamislil centralno stavbo, ki bi bila v tlorisu grški križ. Kronala bi jo kupola, ki bi bila velika kot kupola Panteona, ob njej pa si je zamislil še štiri manjše kupole ter dva stolpa na fasadi. Osrednja kupola bi simbolizirala nebesa in duhovno enotnost katoliške cerkve, celotna cerkev pa moč papeža kot središča vesolja.

Sledilo je rušenje Konstantinove bazilike. Pri tem so grob apostola Petra zavarovali s ploščo iz tufa, niso pa se trudili, da bi ohranili mozaike in drugo dekoracijo. Tak način je Bramanteju tudi prinesel vzdevek "Ruinante". Aprila je papež Julij II. položil temeljni kamen za enega od štirih gigantskih pilastrov, ki naj bi nosili veličastno kupolo. Ko pa so pilastre zgradili do lokov, na katerih bi slonela kupola, je prišlo do težav s statiko, zaradi katerih so se močno povečali stroški gradnje. Ker se je gradnja upočasnila, je papež Julij II. leta 1513 pozval vse kristjane, naj s kupovanjem odpustkov podprejo projekt gradnje nove Petrove cerkve.

Ko je Bramante leta 1514 umrl, je delo prevzel Rafael. Na željo papeža Leona X. (1513-21) je bil prvotni Bramantejev načrt, ki je predvideval centralno stavbo, spremenjen. Predvidena je bila gradnja longitudinalne cerkve s tlorisom v obliki latinskega križa, vendar pa načrt ni bil realiziran, saj je imel Rafael preveč dela na drugih projektih. Kot arhitekta Petrove cerkve sta se v naslednjih letih zvrstila še Baldassare Peruzzi in Antonio da Sangallo, vendar je gradnja le počasi napredovala. Da Sangallo je Bramantejevemu načrtu dodal bogato fasado med dvema stolpoma, ki so ju zgradili v času papeža Pavla III. (1534-49).

Leta 1546 je delo na cerkvi prevzel Michelangelo, ki se je vrnil k prvotnemu Bramantejevemu načrtu. Po njegovi smrti sta gradnjo bazilike svetega Petra nadaljevala Giacomo della Porta in Domenico Fontana. Kupola je bila končana leta 1606. Sledilo je še podaljšanje Michelangelove cerkve, nato pa je baziliko leta 1626 posvetil papež Urban VIII. Površina največje krščanske cerkve je 15.160 kvadratnih metrov. Cerkev je skupaj s preddverjem dolga 211,5 metra, notranjščina cerkve pa je dolga 187 metrov. Strop je visok 46,2 metra. Zunanja višina kupole je 132,5 metra, njen premer pa 42 metrov. Fasada je široka 114,5 metra in visoka 45,5 metra. Ovalni trg pred cerkvijo, ki ga je oblikoval Gian Lorenzo Bernini, meri v širino 240 metrov.