Budowę kościoła rozpoczęto w 1591 roku według projektu Giovanniego Francesca Grimal- diego i Giacomo delia Porty. Pierwsze prace ukończono w 1608 roku pod kierunkiem Stefana Maderny, a następnie w latach 1655-65 jego projekt zmodyfikował Carlo Rainaldi i Carlo Fontana.

Architekturę świątyni uznaje się jako przejście od manieryzmu do baroku. Kopuła świątyni, z piękną latarnią, zaprojektowaną przez Carlo Madernę jest drugą co do wielkości w Wiecznym Mieście. Fasada z trawertynu straciła swoją doskonałą symetrię wskutek ozdobienia jej tylko jednym aniołem z prawej strony.

Wnętrze kościoła olśniewa elegancją, czarnymi i białymi marmurami, złoceniami i barwami fresków.

Apsydę świątyni zdobią freski pędzla Domenichina, które ukazują historię św. Andrzeja. Trzy inne, pełne dramatyzmu, znajdujące się w dolnej części apsydy, przedstawiają również sceny z życia i męczeństwa św. Andrzeja i są dziełem Matti Pretiego.

Podobno Domenichino chciał także ozdobić freskami wnętrze kopuły, jednak wykonanie ich powier rzono Giovanniemu Lanfranco, który namalował tu swoje niezwykłe dzieło "Chwała raju".

Ołtarz w pierwszej kaplicy po prawej stronie kościoła zdobi rzeźba Antonia Raggiego, który przedstawił anioła nakłaniającego św. Józefa, aby uciekał do Egiptu.

W 1614 roku powstała wspaniała kaplica Strozzich. Ołtarz kaplicy zdobią wykonane w brązie kopie rzeźb Michała Anioła. W świątyni znajdują się groby dwóch papieży z rodu Piccolominich Piusa I i Piusa II, których szczątki przeniesiono z Watykanu w 1614 roku. Rzeźby pod ich sarkofagami przedstawiają przeniesienie głowy św. Andrzeja do Bazyliki św. Piotra, Madonnę z Dzieciątkiem, której św. Paweł przedstawia Enea Silvia Piccolominiego jako kardynała, zaś św. Piotra jako papieża.

Pierwszą kaplicę po prawej stronie wzniósł kardynał Maffeo Barnerini, późniejszy papież Urban VIII. Projektował ją Matteo Castelli, a dekorację malarską i obraz w ołtarzu wykonał około 1616 roku Domenico Cresti zwany Passignano w latach 1604-1605. Wśród rzeźb jest dzieło ojca Gian Lorenza Berniniego, Pietra, ukazujące św. Jana Chrzciciela.

Warto wiedzieć!

• Wspaniałe wnętrze kościoła Santa Andrea delia Valle, rozjaśnione blaskami padającymi z kopuły, stało się sceną pierwszego aktu wielkiej opery Giacomo Pucciniego "Tosca", który stąd po raz pierwszy (następnie z pałacu Farnese i zamku św. Anioła) transmitowała telewizja włoska w lipcu 1992 roku.
• Z budową fasady kościoła Santa Andrea delia Valle łączy się anegdota: papież Aleksander VII stale krytykował prace Fancelliego. W końcu artysta bardzo wzburzony miał ponoć powiedzieć: "Jak chce drugiego anioła, to niech go sobie sam zrobi!" I nikt już nie potrafił Fancelliego zmusić do wykonania drugiego anioła.
• Przed kościołem, na placu S. Andrea delia Valle znajduje się piękna fontanna przypisywana Carlo Madernie, ozdobiona herbem Pawła V z rodu Borghese: orłem i smokiem.
• Ze stopni kościoła S. Andrea delia Valle, Adam Mickiewicz przemówił do legionistów i rzymian w dniu 5 kwietnia 1848 roku podczas uroczystej procesji.