Здание церкви Санта-Мария-дельи-Анджели-э-деи-Мартири является неотделимой частью терм Диоклетиана, оно будто вырастает из античных руин. Считается, что проект церкви выполнил Микеланджело. Великий мастер старался максимально сохранить и использовать пространство терм, чтобы продемонстрировать их грандиозность. Фасадом церковь выходит на площадь Республики – ее еще называют "Экседра". "Экседра" в древнеримских термах была чем-то вроде зала для отдыха после бани. В ней обычно прогуливались, вели философские беседы, слушали ораторов. Современная планировка площади в точности повторяет очертания античной экседры: белокаменные здания с колоннадами образуют огромный полукруг.
Создавая проект церкви, Микеланджело пришлось на два метра приподнять пол относительно уровня терм. До сегодняшнего дня сохранились восемь монолитных колон из красного египетского гранита. В XVIII веке церковь была реконструирована в неоклассическом стиле. В ходе реконструкции главный вход был перенесен с площади Чинквеченто на площадь Республики. Фасад церкви лишен излишнего декора – мы видим лишь голую слегка вогнутую кирпичную стену, которая была частью античных терм и служила разделителем помещений тиепидария.
Сейчас в церкви находятся гробницы премьер-министра Виктора Эмануила Орландо и военачальников Италии времен Первой мировой войны – адмирала Ревеля и маршала Диаса. В центральной части установлена гробница папы Пия IV. Именно его заслугой является реконструкция терм Диоклетиана, создание картезианского монастыря и самой церкви Санта-Мария-дельи-Анджели-э-деи-Мартири. Здесь также похоронены Сальватор Роза – известный итальянский художник и поэт XVII века, и архитектор Карло Маратта, курировший работы по перестройке церкви в XVIII веке.
Внутри базилика богато украшена скульптурами и картинами. Это - например, живописные работы французских художников XVII–XVIII веков. В проходе, ведущем к поперечному нефу, расположена статуя святого Бруно, выполненная известным французским скульптором Гудоном. Святой Бруно был католическим монахом и богословом, первооснователем ордена картезианцев, чей монастырь в Риме находился здесь же, в термах Диоклетиана. Сейчас в бывшей обители открыт Национальный музей терм. Вход в него – со стороны площади Чинквеченто.
При посещении базилики стоит обратить внимание на пол. На нем изображен так называемый меридиан, по которому долгое время определяли время в Риме. Меридиан был задуман еще папой Клементом XI к юбилейному для католической церкви 1700 году. Юбилейный год по традициям католической церкви справляется каждые 25 лет. В этот год открываются святые ворота семи основных католических соборов в Риме, чтобы принять многочисленных пилигримов, то есть паломников со всего света.
До 1846 года меридиан использовался как главные солнечные часы Рима. Луч солнца через отверстие в куполе храма попадал на него и показывал точное время. Меридиан служил также для подтверждения правильности введенного папой Григорием XIII в конце XVI века григорианского календаря, который до сих пор действует во всем мире. После объединения Италии одну из функций меридиана стала выполнять пушка на холме Яникул, которая до сих пор сообщает римлянам о наступлении полудня.