La chiesa si è affermata nei secoli fra i luoghi milanesi di maggiore significato simbolico. Fu fondata nel 379 come «Basilica Martyrum» nel luogo di sepoltura dei martiri Gervasio e Protasio, e nel 397 divenne anche mausoleo del futuro patrono Ambrogio. Entro il decimo secolo ebbe un nuovo presbiterio e una nuova abside, e fra 1080 e metà del dodicesimo secolo fu sostanzialmente ricostruita in forme romaniche – le navate e l’atrio – mentre altri interventi e adattamenti seguirono quasi di continuo nei secoli successivi. Oggi S. Ambrogio è spesso presentata come prototipo del romanico del dodicesimo secolo. In realtà la sua immagine, pur nel sostanziale rispetto della planimetria e delle proporzioni medievali, dipende in larga misura dai prolungati interventi edilizi e di restauro condotti fra 1859 e 1890. La chiesa vera e propria è preceduta da un vasto atrio quadriportico a pianta rettangolare, sorto fra 1088 e 1099; tre lati sono porticati, e il quarto forma il nartece della basilica; i capitelli, scolpiti in figure mostruose e vegetali, risalgono in gran parte all’intervento seicentesco. La visione che si ha dall’atrio è uno degli scorci più classici dell’iconografia di Milano. La facciata a capanna, su due loggiati sovrapposti, è incorniciata in basso dai portici dell’atrio, e in alto dai due campanili: quello di destra (la torre dei Monaci), del nono secolo; l’altro (la torre dei Canonici) compiuto nel 1144. Al portale sinistro spicca un rilievo pre-romanico raffigurante sant’Ambrogio; il portale centrale ha architrave, stipiti e lunetta dei secoli ottavo-decimo. All’interno, la navata centrale – sotto volta a crociera – è divisa in quattro campate a base quadrata; identico impianto hanno le laterali, sovrastate da matronei. Alla sinistra della navata centrale, accanto al quarto pilastro sta una colonna isolata che regge un serpente in bronzo, opera bizantina del decimo secolo; nella terza campata spicca il notevole pergamo; sotto, il sarcofago paleocristiano detto di Stilicone risale alla fine del quarto secolo. Al centro del presbiterio, quattro colonne romano-antiche di porfido reggono il ciborio – con baldacchino a stucchi policromi lombardo-bizantini, del decimo secolo – sopra l’eccezionale paliotto, o altare d’oro, compiuto nell’835 dal maestro orafo Volvinio. Lamine d’oro e d’argento dorato sono cesellate con scene della vita di Cristo e di S. Ambrogio, suddivise da ornati di smalto e gemme. Attorno all’abside maggiore sono ricollocate le parti superstiti del coro ligneo intagliato del 1469-1471; nel catino, un vasto mosaico (Il Redentore fra i Ss. Gervasio e Protasio) in parte dei secoli quarto e ottavo, in parte rifatto nel ’700 e nel ’900. Nella cripta, un’arca in argento del 1897 accoglie i resti dei santi Ambrogio, Gervasio e Protasio. Altre opere notevoli si trovano nella navata destra: nella prima cappella, affresco staccato (Deposizione e santi) di Gaudenzio Ferrari; nella seconda, decorazioni a fresco (Martirio di S. Vittore, Naufragio di S. Satiro) originariamente realizzate da Giambattista Tiepolo nel sacello di S. Vittore; nella sesta, una Madonna col Bambino e affreschi di Bernardino Lanino. La settima cappella dà accesso al sacello di S. Vittore in Ciel d’Oro, un’aula del quarto secolo riallestita nel ’700 e nel ’900, con mosaici del quinto secolo nella cupola. Dalla navata sinistra, che nella prima cappella conserva un affresco (Cristo risorto e angeli) del Bergognone, si esce nel portico della Canonica, originariamente edificato da Bramante fra 1492 e 1499, ma ricostruito dopo i bombardamenti della seconda guerra mondiale. Sotto il portico si trova l’ingresso al tesoro di S. Ambrogio, che raccoglie cimeli della storia della basilica: oreficerie, tessuti, arazzi, marmi, stucchi, mosaici, frammenti lignei e dipinti.