L'edificio primitivo sorse nel sec. III e ospitò dall'VIII le spoglie del martire Clemente, poi identificato con l'omonimo papa. Dopo l'incendio dei normanni del 1084, sui resti della prima basilica, Pasquale II fece costruire la chiesa superiore attuale, modificata nel 1713-19. Il suggestivo interno della basilica superiore, su colonne romane e pavimento cosmatesco, è ancora quello di inizio sec. XII (gli affreschi della navata centrale sono settecenteschi); a tale epoca risalgono la schola cantorum, che ingloba parti della basilica inferiore, il ciborio e la cattedra episcopale. Il catino absidale è rivestito dal pregevolissimo mosaico con il Trionfo della Croce, tra le opere di più alta qualità della scuola romana della prima metà del sec. XII: al centro il Crocifisso con le 12 colombe (gli apostoli) tra la Vergine e S. Giovanni; il sottostante affresco è del '300. La cappella di S. Caterina, nella navata sinistra, è tutta ornata di affreschi (Vita della Santa e di S. Ambrogio; Crocifissione; Annunciazione; S. Cristoforo) realizzati tra il 1428 e il 1431 per il cardinale Branda Castiglioni da Masolino da Panicale e, forse, Masaccio. La basilica inferiore conserva nell'affresco della navata centrale (Leggenda di Sisinnio), parte del palinsesto di pitture comprese fra il sec. IX e il XII, uno dei primissimi documenti della lingua volgare italiana. Sotto la basilica sono resti di età repubblicana e imperiale, nonché un mitreo del sec. III e un battistero paleocristiano risalente al sec. VI.