La basilica, riportata alla luce casualmente il 23 aprile 1917 in seguito ad un cedimento del terreno lungo la linea ferroviaria Roma-Cassino, si trova a circa 9 metri sotto il livello dell’attuale via Prenestina, subito fuori l’odierna Porta Maggiore, punto di convergenza del più importante gruppo di acquedotti della Roma imperiale.
Per evitare ulteriori danneggiamenti derivanti dalle vibrazioni dei treni e dalle infiltrazioni d’acqua, nel 1951 venne costruito un contenitore  di cemento armato con una intercapedine per racchiudere completamente le strutture antiche.
Il complesso della Basilica sotterranea di Porta Maggiore si compone di un corridoio, di un vestibolo e di una sala principale di tipo basilicale. Il corridoio costituiva in origine l’accesso dall’antica via Prenestina: dal piano stradale una lunga galleria coperta con volta a botte scendeva con una forte pendenza lungo il lato settentrionale della basilica per poi piegare ad angolo retto e raccordarsi con il vestibolo. Oggi del corridoio si conserva solo l’ultimo tratto di raccordo al vestibolo. Questo è un piccolo ambiente a pianta quadrangolare (m 3,60 x 3,60) con volta a padiglione traforata da un lucernario che riproduce la forma dell’aula basilicale. La sala basilicale (m 12 x 9 per complessivi mq 108) è un’aula rettangolare suddivisa da sei pilastri in tre navate coperte con volte a botte. La navata centrale, più ampia rispetto alle navate laterali, presenta sul fondo un’abside semicircolare. I pavimenti sono a mosaico bianco e nero, mentre sulle pareti e sulle volte predomina il colore bianco della decorazione a stucco.
Nel catino dell’abside è raffigurata Saffo nell’atto di lanciarsi dalla rupe di Leucade. Le rappresentazioni figurate della sala riconducono alla mitologia classica (come per esempio Ganimede rapito da un genio alato, il ratto di una delle figlie di Leucippo), al rituale mistico o a scenette di vita quotidiana. Nel tessuto decorativo si moltiplicano le figure femminili di offerenti e le immagini di oggetti come vasi, candelabri, strumenti musicali; sulle pareti si stendono grandi pannelli con raffigurazioni paesaggistiche stilizzate. Nel vestibolo l’apparato decorativo è caratterizzato dall’uso della policromia sulla volta, ripartita in quadretti figurati, mentre sulle pareti si ripetono i temi paesaggistici con presenza di uccelli e ghirlande floreali. Le indagini effettuate durante i restauri hanno rivelato un complesso sistema di costruzione dell’edificio per fasi successive: scavo, riempimento con getti di cementizio di calce e pozzolana con blocchetti di selce e svuotamento delle terre.
La basilica è stata interpretata come luogo di culto o edificio funerario e collegata alle vaste proprietà della Gens Statilia, a cui appartiene anche il colombario ancora oggi visibile a circa duecento metri di distanza. Al di là delle ipotesi sulla funzione dell’edificio, l’eleganza e l’organicità del tessuto decorativo fanno della basilica un’opera d’arte unitaria databile nei primi decenni del I secolo d.C., sia per la scelta dei soggetti che per lo stile della realizzazione, i cui confronti più stringenti si riscontrano - sempre a Roma - nei coevi esempi forniti dal già citato colombario degli Statilii, dal criptoportico sul Palatino, dalla sala dalla Volta Dorata della Domus Aurea.