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。