Fondata sin dal 379 come Basilica Martyrum nel luogo di sepoltura dei martiri Gervasio e Protasio, e divenuta nel 397 anche mausoleo del futuro patrono. La chiesa si è affermata attraverso i secoli - per la dedicazione, evocativa dell'autonomia cittadina, non meno che per l'antichità della fabbrica - fra i luoghi milanesi dotati di maggiore significato simbolico. Trasformata entro il secolo X, a partire dal 1080 e fino alla metà del secolo XII, venne sostanzialmente ricostruita in forme romaniche. La Chiesa è preceduta da un vasto atrio quadriportico sorto fra il 1088 e il 1099, a pianta rettangolare, su tre lati porticati e chiuso sul quarto a formare il nartece della basilica; alti pilastri a fascio reggono archi a doppia ghiera, mentre i capitelli, scolpiti in figure mostruose e vegetali, risalgono in gran parte all'intervento secentesco. All'interno la centrale delle tre navate absidate - sotto volta a crociera - è divisa in quattro campate a base quadrata; identico impianto hanno le laterali, sovrastate da matronei. Sono presenti affreschi e mosaici di alto valore, come la settima cappella che dà accesso al sacello di San Vittore in Ciel d'Oro.

Il disegno a capanna della facciata su due loggiati sovrapposti, con nartece e loggia superiore a cinque arcate digradanti, appare incorniciato in basso dai portici dell'atrio stesso, mentre in alto lo inquadra la doppia sagoma dei campanili, quello di destra detto Torre dei Monaci, del secolo IX, mentre l'altro a lesene e archetti, detto Torre dei Canonici, compiuto invece nel 1144. Al portale sinistro spicca un rilievo pre-romanico che raffigura Sant'Ambrogio; quello centrale ha architrave, stipiti e lunetta dei secoli VIII-X.