Так через сорок с лишком лет после того, как его мысль о сооружении надгробия папе Юлию в соборе св. Петра послужила поводом для сноса старого храма и постройки нового, он получил в свое ведение всю постройку. За сорок лет над ней пробовали свои силы лучшие мастера, и так как она была начата в грандиозных размерах, то ни один из архитекторов не мог осуществить в ней до конца свои конструктивные и художественные идеи.
Первый проект, как известно, был сделан Браманте и с точки зрения гармонии, соподчиненности и равновесия пространственных комплексов был самым ясным по идее. Совершенно в духе Ренессанса он давал грандиозное здание в виде равноконечного греческого креста, покрытое куполом-полушарием по образцу пантеоновского, и четырьмя малыми куполами. Светлое и радостное, это здание было призвано в полной мере воплотить мысль Леона Баттиста Альберти, о concinnitas, гармонии в музыкальном смысле, осуществляемой средствами зодчества, и носило на себе печать леонардовой архитектурной мысли от тех еще времен, когда да Винчи и Браманте дружно работали у Лодовико Моро в Милане.
План этот остался на бумаге. Браманте успел построить очень немного, и в этом немногом была допущена очень большая ошибка: опорные столбы, на которых должен был покоиться купол, оказались чересчур слабыми, так что Микельанджело потом пришлось их укреплять.
После смерти Браманте (1514) папа Лев X поручил продолжение постройки Рафаэлю, которому дал в консультанты и помощники Джулиано да Сан Гало и фра Джокондо, но фра Джокондо скоро тоже умер, а Джулиано, по старости лет, просил папу уволить его на покой и уехал во Флоренцию. Тогда в помощники к Рафаэлю напросился племянник Джулиано, еще молодой Антонио да Сан Галло. Вдвоем они коренным образом изменили план Браманте, вытянув переднюю ветвь греческого креста и превратив его таким образом в латинский. Но в 1520 году умер Рафаэль, и папа назначил на его места Бальдассаре Перуцци, который вернулся к основной идее Браманте, то есть к греческому кресту, но исправил его конструктивные ошибки и дал совершенно иное распределение пространства внутри собора. Собор должен был стать наряднее, чем у Браманте, и прочнее. Антонио да Сан Галло оставался подручным мастером и при Бальдассаре. Но Перуцци не пришлось осуществлять свой план. В 1521 году умер папа Лев. При Адриане VI работа почти остановилась, ибо этот папа «из варваров» искусством не интересовался, а у Климента VII для Рима никогда нехватало денег. Только в 1535 году Павел III, покровитель Антонио да Сан Галло, приказал ему продолжать постройку, а художественное, руководство оставил за Перуцци. Однако Перуцци и теперь не был счастливее. Он умер два года спустя, оставив Антонио полным хозяином постройки.
Сан Галло сохранил многое из схемы Перуцци, особенно в конструкции главных опорных столбов и в стене, по он прибавил от себя множество капелл и большой вестибюль, что было дальнейшим разрывом с планом Браманте, а к куполу присоединил два остроконечных готических шпиля, резко нарушавших стилевое единство храма.
Микельанджело хорошо знал особенности стройки и резко ее осуждал. Когда он, уступая с великой неохотою желанию папы, приступил к делу, он увидел, что многое из того, что успел построить Антонио, нужно просто уничтожить и сделать по-другому, лучше. Чтобы добиться от папы права распоряжаться, как ему казалось правильным, он должен был сначала преодолеть упорное сопротивление всей подручной компании Сан Галло. Это ему стоило больших трудов, но он добился своего. «В конце концов, — говорит Вазари, — папа одобрил сделанную Микельанджело модель, сообщавшую собору меньшие размеры, но большую грандиозность, к удовольствию всех людей сведущих, хотя кое-кто из слывущих знатоками (на самом деле таковыми не являющихся) ее не одобрил. Он нашел, что четыре основных пилона, сделанных Браманте и сохраненных Антонио да Сан Галло, на которых держится вся тяжесть купола, слишком слабы, и дополнил их двумя витыми лестницами со ступеньками, настолько пологими, что по ним на ослах возят груз до самого верха, равным образом и люди могут ехать на конях до верху арок. Сделал он над травертиновыми арками карниз, идущий кругом, — произведение удивительное, изящное, непохожее на другие; лучше в таком роде и сделать нельзя. Принялся он и за обе большие ниши трансепта, и, где прежде, по плану Браманте, Бальдассаре и Рафаэля, которому последовал также Сан Галло, как мы упоминали, делалось восемь табернаклей, там, со стороны кладбища, доведя их число до трех, он устроил три капеллы, а над ними травертиновый свод и ряд светлых окоп разной формы и огромных размеров».