La basilica fu fondata dall’imperatore romano Costantino I sopra il luogo di sepoltura di San Paolo, dove si diceva che, dopo l’esecuzione dell’Apostolo, i suoi seguaci eressero un memoriale, chiamato a cella memoriae. Questa prima basilica fu consacrata da papa Silvestro nel 324.
Nel 386, l’imperatore Teodosio I iniziò a erigere una basilica molto più grande e più bella con una navata e quattro navate con un transetto. Fu probabilmente consacrata intorno al 402 da Papa Innocenzo I. L’opera, compresi i mosaici, non fu completata fino al pontificato di Leone I (440-461). Nel v secolo era più grande della vecchia Basilica di San Pietro. Il poeta cristiano Prudenzio, che lo vide al tempo dell’imperatore Onorio (395-423), descrive gli splendori del monumento in poche linee espressive.
Sotto Leone I, sono stati effettuati ampi lavori di riparazione in seguito al crollo del tetto a causa di un incendio o un fulmine. In particolare, fu sopraelevato il transetto (cioè l’area intorno alla tomba di Paolo) e installato un nuovo altare maggiore e presbiterio. Questa è stata probabilmente la prima volta che un altare è stato posto sopra la tomba di San Paolo, che è rimasto intatto, ma in gran parte sotterraneo dato Leo livelli del pavimento appena elevati. Leone fu anche responsabile della riparazione dell’arco trionfale e del restauro di una fontana nel cortile (atrio).
Sotto papa San Gregorio Magno (590-604) l’altare maggiore e il presbiterio furono ampiamente modificati. Il pavimento del transetto fu rialzato e un nuovo altare fu posto sopra il precedente altare eretto da Leone I. La posizione era direttamente sopra il sarcofago di San Paolo.
In quel periodo c’erano due monasteri vicino alla basilica: quello di San Aristus per gli uomini e quello di Santo Stefano per le donne. Le messe furono celebrate da un corpo speciale di chierici istituito da Papa Simplicio. Nel corso del tempo i monasteri e il clero della basilica diminuirono; Papa San Gregorio II restaurò il precedente e affidò ai monaci la cura della basilica.
Mentre si trovava al di fuori delle Mura Aureliane, la basilica fu danneggiata nel ix secolo durante un’incursione saracena. Di conseguenza, papa Giovanni VIII (872-82) fortificò la basilica, il monastero e le abitazioni dei contadini, formando la città di Giovannipoli che esisteva fino al 1348, quando un terremoto la distrusse completamente.
Nel 937, quando san Oddo di Cluny giunse a Roma, Alberico II di Spoleto, patrizio di Roma, affidò il monastero e la basilica alla sua congregazione e Odo pose Balduino di Montecassino in carica. Papa Gregorio VII era abate del monastero e ai suoi tempi Pantaleone, un ricco mercante amalfitano che viveva a Costantinopoli, presentò le porte bronzee della basilica maior, che furono eseguite da artisti costantinopolitani; le porte sono inscritte con la preghiera di Pantaleone che gli si aprissero le “porte della vita”. Papa Martino V lo affidò ai monaci della Congregazione di Montecassino. Fu poi fatta un’abbazia nullius. La giurisdizione dell’abate si estendeva sui distretti di Civitella San Paolo, Leprignano e Nazzano, tutti costituiti da parrocchie.
Il grazioso chiostro del monastero fu eretto tra il 1220 e il 1241.
Dal 1215 fino al 1964 fu sede del Patriarca Latino di Alessandria.
Il 15 luglio 1823, un operaio che riparava il piombo del tetto appiccò un incendio che portò alla quasi totale distruzione di questa basilica, che, da sola tra tutte le chiese di Roma, aveva conservato gran parte del suo carattere originale per 1435 anni.
Nel 1825 Leone XII emise l’enciclica Ad plurimas incoraggiando le donazioni per la ricostruzione. Pochi mesi dopo, ha emesso ordini che la basilica essere ricostruita esattamente come era stato quando nuovo nel IV secolo, anche se ha stabilito anche che preziosi elementi di epoche successive, come i mosaici medievali e tabernacolo, anche essere riparato e mantenuto. Queste linee guida si sono rivelate irrealistiche per una serie di motivi e presto hanno cessato di essere applicate. Il risultato è una basilica ricostruita che ha solo una generale somiglianza con l’originale, e non è affatto identica ad essa. La ricostruzione fu inizialmente affidata all’architetto Pasquale Belli, cui succedette alla sua morte nel 1833 Luigi Poletti, che supervisionò il progetto fino alla sua morte nel 1869 e fu responsabile della parte del leone dei lavori. Molti elementi che erano sopravvissuti all’incendio sono stati riutilizzati nella ricostruzione. Anche molti governanti stranieri hanno dato contributi. Muhammad Ali Pasha, viceré d’Egitto donò colonne di alabastro, mentre l’imperatore di Russia donò preziose malachite e lapislazzuli che furono usate su alcuni fronti dell’altare. Il transetto e l’altare maggiore furono consacrati nel 1840 e quella parte della basilica fu poi riaperta. L’intero edificio fu riconsacrato nel 1854 alla presenza di Papa Pio IX e di cinquanta cardinali. Molte caratteristiche dell’edificio erano ancora da eseguire in quella data, tuttavia, e il lavoro alla fine si estese nel ventesimo secolo. Il quadriportico che guarda verso il Tevere fu completato dal governo italiano, che dichiarò la chiesa monumento nazionale. Il 23 aprile 1891 un’esplosione al magazzino della polvere da sparo a Forte Portuense distrusse le vetrate della basilica.
Il 31 maggio 2005 Papa Benedetto XVI ha ordinato che la basilica passasse sotto il controllo di un arciprete e ha nominato Arcivescovo Andrea Cordero Lanza di Montezemolo come suo primo arciprete.