Venne ricavata da Michelangelo riadattando l'antico tepidarium e alcuni vani annessi, e consacrata agli angeli e ai martiri che secondo la leggenda erano stati impiegati per la costruzione dell'impianto pubblico. A precedere l’ingresso in chiesa c'è il vestibolo, rotonda a cupola con due nicchie laterali a fondo piatto, già ambiente di passaggio dal calidarium al tepidarium, che ospita nelle edicole quattro monumenti funebri: a destra quello di Carlo Maratta, eseguito su suo disegno e con busto di Francesco Maratta (c. 1704) e quello del cardinale Francesco Alciati, opera di G.B. Della Porta; a sin. quello di Salvator Rosa (1673); nella nicchia di destra, statua di S. Brunone da Colonia fondatore dei Certosini (Jean-Antoine Houdon, 1766-68). A metà '700 Luigi Vanvitelli ne cambiò l'orientamento e riallestì anche la grande navata interna per accogliere le pale d'altare, provenienti da S. Pietro. La navata trasversale include il tepidarium, in origine a forma pseudo-basilicale coperto da tre volte a crociera impostate su otto colonne monolitiche di granito, e i due vestiboli alle estremità, trasformati in enormi cappelle. Si notino, nel braccio sinistro, la Caduta di Simon Mago di Pompeo Batoni e la Messa di S. Basilio di Pierre Subleyras, dipinti nei quali l'impianto barocco si fonde con la nuova sensibilità neoclassica per il colore. Nel braccio destro i monumenti funebri di Vittorio Emanuele Orlando, dell'ammiraglio Paolo Thaon di Revel, opere di Pietro Canonica, e del maresciallo Armando Diaz, artefici della vittoria nella prima guerra mondiale. Nel presbiterio si segnalano, sulla parete destra, la Presentazione di Maria al tempio, opera di Giovanni Francesco Romanelli (c. 1640), e il Martirio di S. Sebastiano, dipinto a olio su stucco del Domenichino (1629); su quella sinistra, il Castigo di Anania e Safira, dipinto su lavagna del Pomarancio (c. 1605), e il Battesimo di Gesù del Maratta (c. 1697).