Sorge sul luogo ove, secondo la tradizione, la santa venne esposta nuda alla gogna e miracolosamente ricoperta dai suoi capelli scioltisi per prodigio. L'attuale costruzione fu iniziata da Girolamo e Carlo Rainaldi nel 1652 sotto Innocenzo X e ultimata da Francesco Borromini (1653-57), che la modificò sensibilmente determinando la facciata concava a ordine unico di pilastri e colonne, sormontata dall'alta cupola; i campanili gemelli, su disegno di Borromini, furono realizzati da Antonio Del Grande e Giovanni Maria Baratta. L'interno splendente di ori e marmi, conserva dei Rainaldi la pianta a croce greca, col braccio trasversale più lungo di quello longitudinale, e le nicchie sulla crociera; la cupola, sorretta da otto colonne di cottanello, fu affrescata (Gloria del Paradiso) da Ciro Ferri nel 1689, i pennacchi (Virtù cardinali) dal Baciccia (1665). Gli altari presentano preziose pale seicentesche. Nel sotterraneo (vi si accede da una porta nella parete destra del secondo altare), resti del circo di Domiziano e pavimento romano a mosaico; alle pareti ci sono affreschi medievali, mentre sull'altare c'è il Miracolo dei capelli di S. Agnese, rilievo marmoreo di Alessandro Algardi (1653).