La chiesa ha origini antichissime in quanto risulta presente già dalla seconda metà del IV secolo. Sorge sui resti dell’abitazione del marito della santa, morta martire nel 304 in Dalmazia. Ampliata nel 700 sotto Leone III, fu riedificata sotto Sisto IV nel 1478. 

Nella parte sottostante la chiesa si trovano i resti archeologici di un’insula di epoca imperiale. La facciata, opera di Luigi Arrigucci (metà del XVII secolo) presenta due ordini e due campanili gemelli. 

L’interno a tre navate presenta un soffitto a cassettoni sul quale è raffigurato il "Martirio di Sant’Anastasia" di Michelangelo Cerruti. Sotto l’altare si trova la statua della santa titolare.