Venne ricavata da Michelangelo riadattando l'antico tepidarium e alcuni vani annessi, e consacrata agli angeli e ai martiri che secondo la leggenda erano stati impiegati per la costruzione dell'impianto pubblico. A precedere l’ingresso in chiesa il vestibolo, rotonda a cupola con due nicchie laterali a fondo piatto, già ambiente di passaggio dal calidarium al tepidarium, ospita nelle edicole, quattro monumenti funebri: a d. quelli di Carlo Maratta, eseguito su suo disegno e con busto di Francesco Maratta (c. 1704), e del cardinale Francesco Alciati di G.B. Della Porta; a sin. quello di Salvator Rosa (1673); nella nicchia di d., *statua di S. Brunone da Colonia fondatore dei Certosini (Jean-Antoine Houdon, 1766-68). A metà '700 Luigi Vanvitelli ne cambiò l'orientamento e riallestì anche la grande navata interna per accogliere le pale d'altare*, provenienti da S. Pietro. La navata trasversale include il tepidarium, in origine a forma pseudo-basilicale coperto da tre volte a crociera impostate su otto colonne monolitiche di granito, e i due vestiboli alle estremità, trasformati in enormi cappelle. Si notino, nel braccio sinistro, la Caduta di Simon Mago di Pompeo Batoni e la Messa di S. Basilio di Pierre Subleyras, dipinti nei quali l'impianto barocco si fonde con la nuova sensibilità neoclassica per il colore. Nel braccio destro i monumenti funebri di Vittorio Emanuele Orlando, dell'ammiraglio Paolo Thaon di Revel, opere di Pietro Canonica, e del maresciallo Armando Diaz, artefici della vittoria nella prima guerra mondiale. Ne presbiterio si segnalano, sulla parete destra, la Presentazione di Maria al tempio di Giovanni Francesco Romanelli (c. 1640) e il *Martirio di S. Sebastiano, dipinto a olio su stucco del Domenichino (1629); su quella sinistra, il Castigo di Anania e Safira, dipinto su lavagna del Pomarancio (c. 1605), e il *Battesimo di Gesù del Maratta (c. 1697).