Il primo edificio, in ordine cronologico è la basilica costantiniana, di cui oggi sopravvivono solamente alcuni imponenti ruderi, visibili principalmente dal retro del complesso. Si trattava di un cimitero coperto di grandi dimensioni fatto realizzare da Costantina, figlia dell'imperatore Costantino e di Fausta, su un terreno di famiglia, presso il luogo di sepoltura della martire Agnese, di cui Costantina era devota probabilmente a causa di una guarigione, tra il 337 e il 351 d.C.
La basilica fu realizzata accanto e non sopra la tomba della martire, come già accaduto anche in altri casi. La sua costruzione comportò l'abbandono di una necropoli preesistente, sovrastante la regio IV delle catacombe.
Il mausoleo di Santa Costanza è uno dei caposaldi dell'architettura tardoantica. Fra i primi esempi conservati (insieme al Battistero Lateranense) di edificio cristiano a pianta centrale con ambulacro. Derivato da modelli romani di templi e mausolei, ninfei, (il Pantheon, il Mausoleo di Augusto, il cosiddetto tempio di Minerva Medica) deve la caratteristica più innovativa (i due spazi circolari concentrici) a un edificio di poco precedente destinato ad influenzare l'architettura medioevale: il Martyrium del Santo Sepolcro eretto a Gerusalemme da Costantino e dalla madre Elena.
L'attuale chiesa di Sant'Agnese è il frutto di una serie di trasformazioni e restauri - succedutisi nei secoli - di una basilica fatta realizzare da papa Onorio I (625-638), di cui ancora oggi conserva gran parte dei caratteri. Per realizzare la basilica, gli architetti di Onorio ripresero un modello introdotto mezzo secolo prima da papa Pelagio II (579-590), con la costruzione della basilica di S. Lorenzo fuori le Mura.