圆穹曾经受过百年的波折，最先是布拉曼特于1506年设计，1514年他去世后拉斐尔接替了他。六年后，拉斐尔也去世了，教会对教堂顶部借鉴哥德式的设计，强调黑暗与光明的对比，采用了玫瑰花窗，于是出于对教堂入口处的光线对比效应的考虑，圆穹被取消。后来，米开朗琪罗在71岁高龄时接替了这项工作，以“对上帝、对圣母、对圣彼得的爱”的名义，恢复了圆穹，直到89岁去世时也没有完工。

圆顶下是教皇的祭坛，祭坛上方是巴洛克大雕塑家贝尼尼设计的青铜大华盖。它由4根螺旋形铜柱支撑，足有5层楼房高那么多。华盖前面的半圆形栏杆上永远点燃着99盏长明灯，而下方则是宗座祭坛和圣彼得的坟墓，只有教皇才可以在这座祭坛上，面对东升的旭日，当着朝圣举行弥撒。