Первый храм на этом месте начали строить ок. 830; он сгорел в 976 и был перестроен в 979. В середине 11 в. началась обширная реконструкция, в ходе которой в 1073–1095 старая трехнефная базилика с деревянной кровлей была преобразована в ныне существующую крестовокупольную постройку, сходную с церковью св. Апостолов в Константинополе. Был добавлен трансепт; наружный притвор, или портик, с рядами малых куполов, с трех сторон протянулся вдоль боковых стен вплоть до трансепта; существенно увеличилось алтарное пространство; в новом средокрестии и по концам рукавов креста были возведены массивные столбы, поддерживающие пять выложенных из кирпича куполов. Крупнейший из них, центральный, имеет 13 м в диаметре и поднимается над полом на высоту почти 30 м. Для аркад, разделяющих нефы, из Константинополя были вывезены роскошные мраморные и порфирные колонны. Стены облицованы редкими сортами мрамора, своды и купола целиком покрыты мозаиками, посвященными теме сотворения человека, его грехопадения и спасения.

Будучи местом хранения реликвий св. Марка, покровителя Венеции, церковь приобретала все большую пышность. Постепенно на фасаде появилось множество античных колонн, тонко проработанных скульптурных капителей и барельефов, которые нарушили первоначальную ясность внешнего облика. В 13 в. прежние купола были скрыты ныне существующими деревянными куполами, покрытыми позолоченными медными листами. В 15 в. внешний облик храма обогатили ниши с мраморными резными фестонами, стрельчатые арки и пинакли с большим количеством мелких деталей. Интерьер сохранил уникальное изобилие мозаик, мраморов и богатой церковной утвари, свидетельствуя о роскоши убранства византийских храмов в период их наивысшего расцвета.