Sotto la basilica di S. Pietro si trova una importante necropoli formata da mausolei in laterizio disposti lungo una via funeraria. I più antichi sono quelli sulla fila a nord della strada, databili al II secolo d.C., mentre quelli del lato sud, più tardi, sono del III secolo d.C. I sepolcri presentano iscrizioni con i nomi dei personaggi defunti, e sono decorati all'interno con pitture e stucchi; alcuni di essi hanno pavimenti a mosaico in bianco e nero. Interessante l'iscrizione sul mausoleo di Popilius Heracla, che riporta una parte del testamento, in cui il defunto chiede che la sua tomba sia costruita "in Vaticano, accanto al Circo"; questo costituisce una preziosa indicazione topografica per localizzare il Circo di Caligola, che appunto si trovava di fianco alla necropoli vaticana.

Un altro sepolcro importante è quello dei Giulii, in cui sono pitture di tema cristiano, come Giona nelle fauci della balena e il Buon Pastore, mentre sulla volta è raffigurato a mosaico Cristo sul carro del Sole, come il dio pagano Apollo.

In seguito lo spazio della necropoli fu occupato da altre tombe, anche se la maggior parte dei sepolcri cristiani si concentrarono nella parte a occidente, dove si apre una piazzola rettangolare circondata da mausolei costruiti intorno a quella che è stata identificata come la tomba di Pietro, presso il Circo nel quale l'apostolo fu martirizzato. Questa era in origine una semplice fossa; intorno alla metà del II secolo d.C.sulla tomba fu costruito un monumento addossato ad un muro, a cui si accedeva tramite due scale a sud. Questo era costituito da una nicchia con due colonne che sorreggevano una lastra di travertino di copertura, sopra cui era una nicchia più piccola. Una nicchia sottostante, sotterranea, conteneva la tomba di Pietro, come confermato anche da un graffito sul muro retrostante alla nicchia più grande, in cui si legge il nome dell'apostolo in caratteri greci.

Nel IV secolo fu costruita da Costantino la basilica proprio sopra la tomba di Pietro. Iniziata intorno al 320 d.C., fu consacrata nel 326 da papa Silvestro I e compiuta nel 349. Era a cinque navate divise da colonne, preceduta da un atrio colonnato e chiusa da un abside separata dalle navate da un transetto, al centro del quale era il monumento funebre di Pietro. Al di sopra del sepolcro era una edicola, posta al centro del presbiterio, sopra la quale fu edificato un baldacchino sorretto da quattro colonne tortili con raffigurazioni di putti vendemmianti. Altre due colonne erano poste dietro nell'abside. La basilica costantiniana non aveva altare, in quanto destinata non alla liturgia ma ad uso funerario. Solo successivamente, nel VI secolo, per svolgere il servizio liturgico e proteggere il sepolcro fu innalzato il pavimento del presbiterio, davanti al quale fu aggiunta una doppia fila di sei colonne tortili, di cui la più interna chiusa da plutei. Al sepolcro di Pietro si accedeva tramite due scale laterali. Undici di queste colonne si trovano tuttora nella attuale basilica di S. Pietro. La basilica costantiniana rimase intatta fino al XV secolo, finché papa Nicolò V (1447-1455), a causa delle precarie condizioni dell'edificio, ne decise la ricostruzione.