1541 wurde ein Sizilianer namens Fr. Antonio Lo Duca, Priester in Santa Maria di Loreto, hatte eine Vision, in der die Ruinen der Diokletiansthermen von den Engeln der sieben Märtyrer besetzt waren. Diese Vision überzeugte den Priester, dass eine Kirche auf den Ruinen der Bäder gebaut werden sollte, und er ging sofort zu den Bädern, um die Namen der sieben Erzengel auf sieben der acht Granitsäulen des alten Bades zu malen, und begann dann seine Kampagne für den Bau von die Kirche. Leider stimmte Papst Paul III. nicht zu und der Bau begann erst, als sein Nachfolger, Papst Julius III., dem Bau der Kirche zustimmte. 1561 eröffnete Papst Pius IV. offiziell den Beginn des Projekts. Im Juli desselben Jahres gab er eine schriftliche Erklärung ab, in der er verfügte, dass die Kirche zu Ehren der Beatissimae Virgini et omnium Angelorum et Martyrum oder der Allerheiligsten Jungfrau und aller Engel und Märtyrer gebaut werden sollte.
Der Legende nach waren diese sieben Märtyrer, Largus, Smaragdus, Cyriac, Sisinnius, Trasonius, Marcellinus und Saturninus, Sklaven, die beim Bau der antiken römischen Bäder gestorben waren. Trotz verschiedener Rückschläge, die den Bau der Basilika verzögerten, entwarf Michelangelo architektonische Entwürfe für die Kirche und begann 1563 mit der Arbeit an Santa Maria degli Angeli e dei Martiri. Michelangelo entwarf diese Renaissancekirche so, dass sie im Frigidarium (einem großen, kalten Becken, das dazu dient, die Poren nach dem Eintauchen in die heißen Badebecken zu verengen) der Diokletiansthermen auf der Piazza della Repubblica stehen würde.
Leider sollte die Basilika das letzte große Werk des berühmten Künstlers Michelangelo werden. Ein Jahr nachdem er mit der Arbeit an Santa Maria degli Angeli e dei Martiri begonnen hatte, starb Michelangelo. Er starb 1564, nur drei Wochen vor seinem 89. Geburtstag. Seine Entwürfe wurden dann von seinem Schüler Jacopo Lo Duca fertiggestellt, der zufällig auch der Neffe von P. Antonio Lo Duca. Nach Fertigstellung des Baus wurde die Kirche den Kartäusern zugesprochen, einem katholischen religiösen Orden geschlossener Mönche, der 1084 vom Heiligen Bruno von Köln gegründet wurde. Dem Orden gehörten sowohl Mönche als auch Nonnen an, die aus ihrem ehemaligen Kloster Santa Croce in Gerusalemme umgesiedelt waren.
Kurz nach ihrer Ankunft in Santa Maria degli Angeli e dei Martiri bauten die Kartäuser nebenan ein Kloster, das möglicherweise ebenfalls von Michelangelo entworfen wurde. Einige Zeit später, im Jahr 1702, beauftragte Papst Clemens XI. Francesco Bianchini, einen Mathematiker, Archäologen, Historiker, Philosophen und Astronomen, eine Sonnenuhr zu entwerfen, die auf dem Boden der Kirche installiert werden sollte. Diese Sonnenuhr oder Meridianlinie hatte mehrere Funktionen. Die vielleicht wichtigste davon war damals, die Genauigkeit des neuen gregorianischen Kalenders zu validieren. Dieses Werkzeug war für die Kirche äußerst wichtig, da es dem Papst die Möglichkeit gab, das Osterdatum genau vorhersagen zu können. Diese Meridianlinie ist in den Boden eingelassen und verläuft entlang einer Seite der Basilika. Bis heute kann man Santa Maria degli Angeli e dei Martiri besuchen und sehen, wie diese bemerkenswerte Sonnenuhr genauso funktioniert wie zur Zeit von Papst Clemens XI.
Durch ein sehr kleines Loch in der Wand an der Südseite der Kirche bricht ein Sonnenstrahl und wirft einen Lichtstrahl direkt auf die Meridianlinie im Boden. Jeden Tag um die Mittagszeit wandert dieser Sonnenstrahl entlang der Linie. Je länger die Linie, desto genauer kann man die Länge des Jahres berechnen. Bianchini fügte auch einige strategisch platzierte Löcher in die Decke ein, die es ermöglichten, den Durchgang der Sterne zu beobachten. Die Meridian-Sonnenuhr wurde fast 150 Jahre lang zum Stellen der Uhren in Rom verwendet. Während die Santa Maria degli Angeli e dei Martiri das letzte architektonische Projekt des kreativen Genies Michelangelo ist, ist es möglicherweise auch eines seiner besten. Die Basilika ist nicht nur ein bemerkenswertes Denkmal für Michelangelo, sondern auch ein zeitloses Denkmal für Glauben, Kunst, Wissenschaft und römische Geschichte.
