La Chiesa sorge presso l'antico dislivello (ad vallum) fra la città romana e il litorale adriatico, si fa risalire ad epoca medievale; a partire dal 1609, questo edificio venne abbattuto per l'insediamento dei Padri Filippini.
Il progetto della nuova Chiesa, che mantenne l'originaria intitolazione ai Santi Pietro e Paolo, si deve all'architetto romano Giambattista Cavagna che propose una pianta a croce latina con transetto inscritto, aula unica con sei cappelle e cupola a crociera. Consacrata nel maggio 1617, la chiesa appariva peró ancora completamente spoglia di ogni ornamentazione, sia all'esterno che all'interno.
A tutt'oggi l'esterno risulta privo del previsto rivestimento in pietra; l'interno, invece, nel corso degli anni, fu trasformato in una sfarzosa galleria di marmi, stucchi, ori e pitture, tanto da fare di questo edificio uno degli esempi più significativi del barocco marchigiano. Primi ad operare tra il 1618 e il 1620 furono lo stuccatore romano Pietro Solari, impegnato a Fano anche nell'ornamentazione della Cappella Nolfi in Cattedrale, e il pittore urbinate Antonio Viviani detto il Sordo, autore degli affreschi con gli episodi principali della vita di San Pietro. La sfarzosa decorazione della cupola, fu eseguita dal bolognese Lauro Buonaguardia nel biennio 1699-1700, stupendamente barocca.
Assolutamente d'eccezione il corredo di opere pittoriche della chiesa che ornavano l'altare maggiore e le sei cappelle laterali: una "galleria di rare pitture" come la definì lo storico dell'arte Luigi Lanzi, che raggiunge il suo vertice qualitativo con le opere di Guido Reni, del Guercino, del pesarese Simone Cantarini e di G. F. Guerrieri di Fossombrone. Gran parte di queste rare pitture sono conservate e possono essere ammirate presso la Pinacoteca del Palazzo Malatestiano. Questa chiesa filippina in bianco e oro costituisce in realtà uno dei piú prestigiosi esempi regionali di integrazione fra architettura, decorazione plastica e pittura. Filtrato da modelli romani e bolognesi, esso riassume l'evoluzione locale del linguaggio figurativo del Seicento.