Meraviglioso edificio della tarda antichità, più che medievale. spesso viene considerato congiuntamente alla vicina basilica di S. Agnese, in realtà merita un discorso a parte, essendo sorto come mausoleo annesso alla vastissima basilica cimiteriale eretta da Costantino su di un fondo imperiale lungo la via Nomentana, basilica la cui dimensione originaria viene suggerita dal gigantesco rudere absidale che si erge in direzione della sottostante piazza Annibaliano. Queste enormi basiliche, sorte in prossimità della tomba di un martire venerato, e tutte di fondazione imperiale da parte della famiglia dei Costantinidi, avevano spesso annessi dei grandi mausolei, come nel caso analogo della basilica cimiteriale dei SS. Marcellino e Pietro, sulla via Labicana, ora Casilina, accanto alla quale sorgeva il mausoleo funerario di S. Elena, madre di Costantino, l'attuale Tor Pignattara. La chiesa di S. Costanza era il mausoleo originariamente eretto per Costanza, figlia di Costantino, che successivamente venne trasformato in battistero della basilica di S. Agnese, sorta nel VII secolo, e a partire dal 1254 trasformato in chiesa. L'edificio è una splendida costruzione a pianta centrale, a cui si accede dal nartece, absidato ai lati, che all'origine era interno, costituendo il trait d'union con la navata anulare della basilica cimiteriale di cui sopra. L'interno colpisce immediatamente per la forza del ritmo delle sue strutture, ancora pienamente partecipi dell'architettura tardoromana (l'edificio risale al 342), modulate dalla luce che proviene dai finestroni sottostanti la cupola. Questa è sorretta da dodici coppie di colonne di granito, con elaborati capitelli su cui poggiano pulvini, cioè una sorta di cuscini marmorei che hanno il compito di suggerire un maggior slancio delle arcate che vi poggiano sopra. La cupola era coperta fino al 1630 circa da meravigliosi mosaici, a dire delle testimonianze precedenti, così come le pareti tra gli archi e la cupola ricoperte di incrostazioni marmoree a opus sectile (tarsie); poi una minaccia di crollo portò sotto Urbano VIII a eliminare tutto.  Lo splendore dell'ambiente originario è comunque suggerito dall'ambulacro circolare che gira attorno al vano centrale, la cui volta a botte è tuttora ricoperta da magnifici mosaici del IV secolo, alternativamente spartiti tra motivi geometrici e scene di vendemmia, soggetto dionisiaco che in questo caso viene a significare dei riferimenti all'immortalità dell'anima.  Nelle campate a destra e sinistra dell'ingresso, Costanza e Annibaliano, suo marito. Le scene figurative, così come quelle geometriche, tutte su fondo bianco, rientrano ancora pienamente nell'arte tardoromana. Due mosaici, di poco più tardi (fine IV secolo), sono nelle due absidiole semicircolari a destra e a sinistra, raffigurando rispettivamente la Consegna delle chiavi e la Traditio Legis, mosaici peraltro pesantemente restaurati nel secolo scorso. Nella nicchia quadrata opposta all'ingresso è un calco del sarcofago in porfido di Costanza, il cui originale fu trasportato da qui nei Musei Vaticani agli inizi del secolo scorso, insieme  all'analogo sarcofago di S. Elena da Tor Pignattara. Uscendo dal complesso monumentale sulla via Nomentana si passa per gli edifici del convento e della canonica, di origine quattrocentesca, ma rifatti in larga parte nel 1856 ad opera di Andrea Busiri Vici. Da un cortile è visibile, dietro una vetrata, la cappella detta stanza di Pio IX, in cui un affresco commemora l'evento che vide il pontefice, con la sua corte, uscire incolume dallo sprofondamento del pavimento della canonica. Nell'ambiente sono conservati anche resti di affreschi del XIII secolo, che fanno parte di quel già menzionato momento di passaggio dell'arte romano-bizantina alle nuove concezioni stilistiche della fine del secolo.