La chiesa di Santa Maria Antiqua, situata alle pendici nord-occidentali del Palatino, fu costruita riutilizzando le strutture laterizie di un vasto complesso architettonico del periodo dell'imperatore Domiziano (81-96), probabilmente un vestibolo monumentale dei palazzi imperiali, ad essi collegato con una rampa coperta tuttora esistente.

La pianta dell'edificio preesistente si prestava perfettamente all'adattamento a questa nuova funzione. L'originario quadriportico fu trasformato in tre navate e lo spazioso locale di fondo diventò il presbiterio, che solo in un secondo momento fu completato con l'abside, ricavata nello spessore del muro romano.

Santa Maria Antiqua è stata consacrata nel corso del secolo VI d.C. e venne poi, nell'arco di circa tre secoli, decorata con estesi cicli pittorici. Molte di queste pitture sono tuttora conservate (circa 250 metri quadri) e sono documenti unici per lo sviluppo dell'arte altomedievale a Roma ed altrove. Estesi frammenti di pittura dello stesso periodo esistono nel cosiddetto Oratorio dei XL Martiri, un ambiente adiacente che fa parte dello stesso complesso religioso.

L'unico frammento sopravvissuto dell'epoca di fondazione della chiesa fa parte del famoso palinsesto sulla parete a destra dell'abside, dove si sovrappongono sei strati di pittura di diverse epoche. Il primo strato dipinto, che rappresenta una Madonna in Trono adorata da un angelo, risale alla metà del VI secolo.

Le principali fasi di decorazione murale risalgono ai tempi di papa Martino I (649-653). In questo momento furono decorate le pareti del presbiterio e molte aree della navata centrale. Papa Martino I morì in esilio e fu martirizzato perché si oppose all'Imperatore Costante II di Costantinopoli.  A papa Giovanni VII (705-707), un papa particolarmente affezionato alla chiesa perché cresciuto sul Palatino come figlio del custode dei palazzi imperiali, che fece decorare nuovamente il presbiterio e fece inoltre eseguire i nuovi cicli pittorici nella Cappella dei Santi Medici e in molte altre parti del monumento.

Al pontificato di papa Zaccaria (741-752), durante il quale venne eseguita la Cappella di Teodoto, che prende il nome odierno dal donatore, un nobiluomo romano, che come ambasciatore del Papa stabilì i primi contatti con la corte dei Franchi, futuri alleati nel distacco politico da Bisanzio. 

A Paolo I (757-767), che ordinò l'ultima decorazione dell'abside e fece eseguire estesi cicli pittorici lungo le pareti delle navate laterali. 

Molti degli intonaci dipinti sono caratterizzati da un'altissima percentuale di legante (calce) e dalla presenza di fibre vegetali (paglia o pula di grano) nell'impasto. Questa particolare composizione conferma la tradizione bizantina o addirittura una provenienza orientale di maestranze impegnate nella decorazione della chiesa.

Oltre agli intonaci altomedioevali sono conservati estesi residui di malte di allettamento di una decorazione parietale in Opus Sectile, di resti di una decorazione musiva e di altri intonaci, parzialmente con tracce di colore, che documentano la fase pagana dell'edificio.

Gli ultimi dipinti furono eseguiti sotto Papa Adriano I (772-795). Nell'847, durante un terremoto, il sito venne fortemente danneggiato da porzioni di muro crollate dal Palatino. La chiesa venne abbandonata e rifondata vicino al tempio di Venere e Roma come Santa Maria Nova. Solamente l'atrio rimase in uso per qualche secolo come Cappella di S. Antonio.