Edificata dal vescovo Ambrogio fra il 379 e il 386, la Basilica Martyrum gli venne dedicata dopo che vi fu sepolto. Venne ampliata  a partire dall’VIII secolo dai benedettini. Nel IX secolo l’arcivescovo Ansperto eresse l’atrio, rifatto nel XII, e nel XI si cominciò  la ricostruzione della chiesa.

Nel 1196, il crollo della cupola impose la ricostruzione delle volte e del pulpito. Nel 1492, Bramante fu incaricato dagli Sforza della ristrutturazione della canonica per i religiosi giunti nel XII secolo e del monastero benedettino dove si erano da poco insediati i cistercensi. Scampata a un nuovo rifacimento nel XVII secolo, fu gravemente danneggiata  dai bombardamenti del 1943.

Tra i capolavori presenti nella basilica vanno citati l’Altare d’oro e il Sacello di San Vittore in Ciel d’Oro. Il primo, opera di Volvinio  del IX secolo, con Vita di Cristo sulla fronte anteriore e Storie di Sant’Ambrogio sul retro, ospitava le spoglie del santo; il secondo prende il nome dalle tessere dorate della volta.