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Nach den Überlieferungen des 4. Jahrhunderts entsprang dort, wo heute der Altar der Kirche steht, im Jahr 38 v. Chr. eine ölhaltige Quelle (fons olei).[1] Was möglicherweise durch vulkanische Tätigkeit zu erklären wäre, wurde von den jüdischen Einwohnern des Viertels als Ankündigung des Messias gesehen. Später wurde dieses Ereignis als Zeichen der Ankunft Jesu Christi interpretiert. Schon im 3. Jahrhundert soll es an der Stelle eine christliche Hauskirche gegeben haben, an deren Stelle Julius I. Mitte des 4. Jahrhunderts eine große Basilika errichten ließ, die im 12. Jahrhundert unter Innozenz II. durch einen Neubau mit Campanile ersetzt wurde. Dazu wurde unter anderem Material aus den Caracalla-Thermen verwendet.[2]
Im Heiligen Jahr 1525 diente die Kirche als Ersatz für die vom Tiber überschwemmte Kirche Sankt Paul vor den Mauern. Das Hauptportal diente als Heilige Pforte. Auch in den heiligen Jahren 1625, 1700 und 1825 ersetzte Santa Maria in Trastevere die Basilika Sankt Paul vor den Mauern, die 1625 und 1700 wegen Epidemien im römischen Umland geschlossen bleiben musste und im Jahr 1825 wegen des Brandes von 1823 noch völlig zerstört war.[3]
Die Kirche ist bereits seit dem Jahr 1120 römische Titelkirche und trägt die Kirche den Titel einer Basilica minor. Eine der Filialkirchen des Kapitels von Santa Maria in Trastevere war bis 1602 Sante Rufina e Seconda.