La piazza costituisce un ottimo esempio di stratificazione architettonica susseguitasi nei secoli con l'avvicendarsi dei vari pontefici.

La conformazione della piazza risale all'Ottocento, a un progetto dell'architetto Giuseppe Valadier che, su commissione di vari papi, conferì alla piazza l'attuale forma ellittica con al centro un obelisco egizio e fontane ornamentali in stile neoclassico. La piazza ingloba nel suo perimetro l'antica Porta Flaminia, conosciuta come Porta del Popolo, realizzata contestualmente alla costruzione delle Mura Aureliane nel III secolo come ingresso nord alla città, dove iniziava la via consolare Flaminia.

Di fianco a Porta del Popolo si trova l'antica basilica di Santa Maria del Popolo, eretta nell'XI secolo per volere di papa Pasquale II. Papa Alessandro VII, durante il suo pontificato, fece restaurare la chiesa incaricando Gian Lorenzo Bernini, il quale tra il 1655 e il 1661 conferì alla chiesa una chiara impronta barocca e la arricchì con numerosi dipinti e sculture di grandi artisti dell'epoca. La basilica custodisce capolavori come la Conversione di san Paolo e la Crocifissione di san Pietro del Caravaggio e l'Assunzione di Annibale Carracci nella cappella Cerasi; la cappella Chigi venne progettata e decorata da Raffaello; nella cappella del Presepio si trova un ciclo di affreschi del Pinturicchio. Sono inoltre presenti sculture di Andrea Bregno e dello stesso Gian Lorenzo Bernini, come il magnifico organo sorretto da due angioletti in bronzo.

Sul lato opposto della piazza rispetto a Porta del Popolo sono presenti due chiese gemelle progettate nel 1662 dall'architetto Carlo Rainaldi su incarico di papa Alessandro VII. Le due chiese si trovano al vertice delle tre direttrici rettilinee che si diramano verso sud e convogliavano il traffico proveniente dal principale ingresso di Roma verso le basiliche maggiori:

• via di Ripetta verso Ponte Sant'Angelo e San Pietro;
• via del Corso raggiungeva Piazza Venezia e proseguiva verso San Giovanni in Laterano;
• via del Babuino che, attraverso Piazza di Spagna, saliva verso Santa Maria Maggiore.

Le basiliche di Santa Maria in Montesanto (1675) e la gemella Santa Maria dei Miracoli (1678) vennero realizzate dall'architetto Carlo Rainaldi e completate da Gian Lorenzo Bernini, conferendo alla piazza una simmetria tipica dello stile barocco. Le due chiese tuttavia presentano delle differenze proprio per adattarsi ai differenti spazi tra le strade: Rainaldi, proprio per mantenere questa simmetria prospettica dal centro della piazza verso l'asse centrale di via del Corso, disegnò la cupola di Santa Maria dei Miracoli di forma perfettamente circolare, mentre la cupola di Santa Maria in Montesanto è di forma ellittica. Nel Settecento venne aggiunto alla chiesa di Santa Maria dei Miracoli un campanile quadrangolare speculare rispetto a quello di Santa Maria in Montesanto, proprio per enfatizzare la centralità di via del Corso.

Per volere di papa Sisto V, al centro della piazza fu spostato un obelisco egizio alto 23 metri, precedentemente collocato al Circo Massimo dall'imperatore Costantino. L'obelisco risale al 1300 a.C., realizzato ai tempi di Ramses II, e fu portato a Roma da Augusto per celebrare la conquista dell'Egitto. Alla base dell'obelisco è stata realizzata da Valadier la Fontana dei Leoni: ai quattro angoli dell'obelisco sono presenti quattro leoni in marmo bianco in stile egizio, dalle cui fauci sgorga un getto d'acqua.

Al centro dei due emicicli della piazza furono realizzate altre due fontane monumentali costruite nel 1822-23 da Giovanni Ceccarini su disegno del Valadier. Sul lato del Pincio si trova la Fontana della Dea Roma, costituita da un grande gruppo scultoreo con la statua della Dea Roma armata di lancia, affiancata ai due lati dalle statue dei fiumi Tevere e Aniene e dalla Lupa che allatta i gemelli Romolo e Remo. Sul lato opposto si trova la Fontana di Nettuno, costituita dalla statua raffigurante Nettuno armato di tridente nella mano destra, affiancato da tritoni e delfini.