Secondo il Liber pontificalis fu papa Simmaco ad erigere la basilica al martire frigio (290-304), intorno al 500. Vi fu costruito anche un balneum, usato per il battesimo in immersione e per le abluzioni sacre in genere. Questo uso peraltro, tipico dell'età antica del cristianesimo, venne meno con la rovina degli acquedotti e in seguito, in una Roma ristrutturata negli impianti idraulici, non fu più rinnovato. La basilica fu restaurata da Onorio I nel VI secolo e Gregorio di Tours rammenta che, ai suoi t empi, i romani usavano andare a pronunciare i giuramenti solenni proprio sulla tomba del martire, poichè si credeva che lo spergiuro sarebbe subito morto sul posto. Vi prestò giuramento anche Pietro d'Aragona nel 1205 ed è questo l'ultimo grande avvenimento della storia di questa basilica. Fu di nuovo restaurata dal cardinale Ludovico di Monreale nel 1066 e concessa ai Carmelitani scalzi da Alessandro VII. Nel 1854 la basilica veniva dichiarata monumento nazionale. Sopra le arcate del presbiterio affreschi a riquadri attribuiti ad Antonio Tempesta raffiguranti i Santi Dionisio e Pancrazio, a destra e i Santi Calepodio e Pancrazio, a sinistra. In fondo alla navata di destra, sull'altare, una Santa Teresa di Palma il Giovane. Un museo è nella sagrestia: vi sono conservati pezzi archeologici provenienti dalle catacombe e dall'antica chiesa consistente in materiale epigrafico, lapideo e scultoreo relativo ai primi secoli della Chiesa romana. Accanto è l'ingresso alle catacombe, con pitture in due cubicoli, dove S. Pancrazio fu sepolto dalla pia matrona romana Ottavilla.