La basilica, fondata nel sec. IV presso il cimitero ove ebbero temporanea sepoltura gli apostoli Pietro e Paolo e dove furono sistemate le spoglie del santo martire, venne rifatta nel sec. XVII, da Flaminio Ponzio e Giovanni Vasanzio (responsabile dello splendido soffitto ligneo). La facciata, compiuta da quest'ultimo nel 1613, è costituita da un portico a tre archi su colonne ioniche binate di granito (provenienti dall'edificio originario), la cui partitura è ripresa dalle paraste laterizie dell'ordine superiore inquadranti tre finestre a timpano curvilineo, e dal timpano di coronamento. L’interno è una solenne navata unica scandita sui lati da tre arcate inquadrate da coppie di paraste. Il soffitto ligneo, su disegno del Vasanzio, conserva la figura di S. Sebastiano e gli stemmi del cardinale Scipione e di Gregorio XVI che lo restaurò. La cappella delle Reliquie (1625), 1ª a destra, conserva le impronte ritenute dei piedi di Cristo relative all'episodio del «Domine quo vadis?», una delle frecce che colpirono S. Sebastiano e la colonna cui fu legato. La cappella intitolata al santo, 1ª a sinistra, progettata da Ciro Ferri (1672) su modello di quella delle Reliquie, è in asse con la sepoltura del santo nella catacomba: sotto l'altare, statua giacente del santo, capolavoro di Antonio Giorgetti (1671-72) su disegno di Gian Lorenzo Bernini. Le sottostanti catacombe di S. Sebastiano, l'unico cimitero cristiano rimasto sempre accessibile e perciò molto devastato, si dispongono su quattro piani e accolgono: la cripta di S. Sebastiano (il busto del santo è ascritto a Gian Lorenzo Bernini); la Piazzuola, sotto la quale si apre la cavità da cui pare derivi il nome catacomba (katà, presso, e kymbas, cavità); la Triclia, dove si tenevano i banchetti funebri; la Platonia, interpretata un tempo come luogo della sepoltura degli apostoli e oggi come mausoleo di Quirino; la cappella di Onorio III, con affreschi del sec. XIII.