Le catacombe di Marcellino e Pietro, con i loro 18.000 mq articolati in tre livelli, sono per grandezza le terze di Roma e spiccano per la bellezza delle decorazioni pittoriche, per lo più del IV sec. d.C., raffiguranti temi biblici, di convito ed atleti.
Sorgono all'interno di un vasto possedimento imperiale, dove già dal II sec. d.C. si era sviluppata la necropoli degli Equites Singulares Augusti. Preesistenti alle catacombe erano anche una serie di cunicoli idraulici e resti di varie strutture, forse connesse allo sfruttamento agricolo dell'area, e una serie di gallerie di una cava di pozzolana.

Lo scavo delle catacombe cominciò verso il 260-270 d.C. in quattro regioni, ciascuna con scala indipendente, sviluppatesi ai margini del cimitero degli Equites, dagli inizi del IV sec. d.C. le regioni primitive vennero ampliate verso S; nel 320 d.C. fu terminata la soprastante basilica circiforme; verso il 330-40 d.C. il cubicolo con le tombe dei Santi Pietro e Marcellino fu ampliato e decorato e diventò nel 360 d.C. un vero e proprio santuario monumentalizzato da papa Damaso (366-384 d.C.). Altri lavori di sistemazione avvennero nel VI e VII sec. d.C. (Onorio I).

La rete sotterranea è molto estesa in un complicato intreccio di cunicoli, articolandosi in varie regioni: quella principale comprende la cripta, al primo piano, (l'unico ad essere stato identificato con certezza) dove furono posti i corpi dei due martiri, che qui rimasero fino al pontificato di Gregorio IV (826 d.C.), quando vennero traslati in Francia e poi in Germania, a Seligenstad presso Magonza, dove ancora si trovano. Nella cripta si distinguono tre livelli: quello della galleria primitiva, dove i due martiri furono deposti in due semplici loculi, quello del IV sec. d.C. quando fu costruita una basilichetta absidata ottenuta con l'abbattimento di precedenti gallerie ed infine il piano attuale del VI sec. d.C.

Le pareti, sia della cripta che delle gallerie adiacenti, sono ricoperte di iscrizioni graffite dai pellegrini che si recavano in visita.
La volta di un cubicolo è decorata di pitture che rappresentano al centro il Cristo con il libro dei Vangeli, seduto in trono tra S. Pietro e S. Paolo; sotto l'agnello sulla collina dalla quale scaturiscono i quattro fiumi apocalittici (Fison, Geon, Tigri ed Eufrate). Ai lati vi sono i quattro martiri più venerati del santuario, con incisi i loro nomi: Gorgonius, Petrus, Marcellinus,Ttiburtius (vittime della persecuzione di Diocleziano 284-305 d.C.).

Una delle scene che ricorre più frequentemente nelle pitture è quella del banchetto, in genere interpretata come rappresentazione simbolica delle gioie dell'aldilà, ma nella quale è forse da riconoscere la riproduzione realistica delle agapi, cioè dei banchetti funerari che si svolgevano per commemorare il defunto.