Weil die Kaiserliche Leibgarde bei der Schlacht an der Milvischen Brücke auf Seiten seines Rivalen Maxentius gekämpft hatte, wurde sie von Kaiser Konstantin aufgelöst und der Friedhof aufgehoben. Stattdessen ließ Konstantin um 315 auf diesem Gelände eine Umgangsbasilika zum Gedächtnis an die Märtyrer Petrus und Marcellinus und die übrigen in der Katakombe beigesetzten Opfer der Christenverfolgung errichten. Unter Papst Damasus I. (366–384) wurde die Katakombe erweitert und ausgeschmückt, insbesondere die Krypten der Titelheiligen und der Märtyrer Tiburtius und Gorgonius. Bis zur Mitte des 6. Jahrhunderts folgten weitere Umgestaltungen. Heute erstrecken sich die bis zu 16 Meter tiefen Gänge über eine Fläche von 18.000 m² mit schätzungsweise 15.000 Bestattungen. Nach langjährigen Restaurierungsarbeiten konnten die unterirdischen Anlagen und die wertvollen Wandmalereien im Februar 2016 wieder für die Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden.