Venne eretta a partire dal 398 dal senatore Bizante o da suo figlio Pammachio sul sito di un edificio, databile tra il I e il II secolo, utilizzato prima comedomus ecclesiae da una comunità cristiana e poi divenuta sepoltura dei martiri Giovanni e Paolo: la tradizione afferma che questa fosse l'abitazione dei due santi fratelli, che avrebbero subito il martirio proprio al suo interno nel 362, durante il regno dell'imperatore Flavio Claudio Giuliano; le fonti più accreditate sostengono invece che più probabilmente l'edificio apparteneva alla famiglia del fondatore, Pammachio; la chiesa viene citata per la prima volta negli atti di un sinodo celebrato da papa Simmaco nel 499 con il nome di Titulus Pammachii, o anche Titulus Byzantii.

La chiesa originaria venne danneggiata dai Visigoti di Alarico I durante il sacco di Roma (410), poi da un terremoto nel 442 e venne infine saccheggiata dai Normanni nel 1084. Il Papa Pasquale II (1099 - 1118) ne promosse i lavori di restauro, vi aggiunse il campanile e il portico, che sostituì l'originarionartece. L'edificio fu continuamente rimaneggiato nei secoli successivi; in particolare furono notevoli gli interventi promossi nel 1715 dal cardinale Fabrizio Paolucci. Ha assunto l'attuale fisionomia nel 1951, quando il cardinale Francis Joseph Spellman ne ha fatto ripristinare la facciata paleocristiana.

La chiesa oggi possiede al suo interno la tomba di san Paolo della Croce, ed è officiata dai padri Passionisti.