La basílica, dedicada al obispo de Milán, es un magnífico ejemplo de la arquitectura románica lombarda. Construida entre 379 y 386 a instancias del propio obispo Ambrosio, que la dedicó a los santos mártires enterrados en ella (es decir, los santos mártires Satiro, Vittore, Nabore, Vitale, Felice, Valeria, Gervasio y Protasio). El nombre de la iglesia pasó a ser "Sant'Ambrogio" tras la muerte del obispo fundador. Importantes obras de ampliación fueron encargadas por el obispo Angilberto II, mientras que el tiburón se construyó en el siglo XII. La basílica está precedida por un gran pórtico de cuatro lados, en cuyo interior se ve claramente la gran fachada a dos aguas y los dos campanarios, conocidos como "dei Monaci" y "dei Canonici". El interior tiene una disposición basilical, con una amplia galería sobre las naves laterales. En el presbiterio, bajo el tiburón octogonal, se encuentra el famoso Altar de Oro, obra del magister phaber Vuolvino, cubierto por el copón del siglo IX. El ábside tiene dos niveles: en el nivel inferior, más bajo que la nave, está la cripta con los cuerpos de los santos Ambrosio, Gervasio y Protasio, y en el nivel superior está la sillería de madera del coro (siglo XV). Por último, a la izquierda del pórtico se encuentra la llamada Columna del Diablo, llamada así porque la leyenda cuenta que el diablo, durante una pelea con San Ambrosio, clavó sus cuernos en ella: de hecho, hay dos agujeros uno al lado del otro. Evidentemente, una cosa es la leyenda y otra la historia: los dos agujeros eran el asiento de una puerta.
