La Basilica attuale, dalle forme romanico-lombarde, risale al secolo XII ed è stata consacrata dal Papa Innocenzo II nel 1132. Viene ricordata da Dante, Petrarca e Boccaccio e la definizione con cui è nota di di "ciel d'oro" le viene dal soffitto ligneo della chiesa paleocristiana, che aveva le volte erano affrescate di blu e ricoperte di stelle in foglia d'oro. Tradizione vuole che la basilica sia sorta sul luogo di martirio e di sepoltura di Severino Boezio, ucciso nel 524 per ordine di re Teodorico. La tradizione vuole altresì che la Basilica sia stata eretta su ordine del re longobardo Liutprando per ospitare le spoglie di Sant'Agostino, che aveva comprato in Sardegna da pirati saraceni, dove erano state trafugate da Ippona a Cagliari.

Ai lati della chiesa si trovavano ben due conventi; quello a nord era occupato dai canonici lateranensi, quello a sud dai monaci agostiniani. Alla fine prevalsero i monaci agostiniani, il cui Ordine era stato fondato nel 1256. Nel 1796 le truppe al seguito di Napoleone Bonaparte entrarono in città e spogliarono la chiesa, che fu sconsacrata

Da un punto di vista architettonico la basilica presenta una facciata a capanna scandita da due contrafforti che la dividono in tre zone, corrispondenti alle navate interne.

La facciata, alquanto asimmetrica, è in arenaria grigia e cotto. Su di essa si apre l'unico portale, in pietra arenaria, riccamente scolpito con motivi cari al repertorio dei maestri comacini.

All'interno si trovano quattro campate, coperte da volte a crociera, tranne la prima, coperta da una volta a botte. Dopo l'arco trionfale, si apre il transetto, che non sporge rispetto al corpo principale, ma occupa la profondità delle tre navate.

Sorretta da 24 colonne, la cripta occupa lo spazio del presbiterio e del coro ed è collegata alla navata principale ed alle due laterali da quattro scale. Si tratta di un ambiente semplice, chiuso ad est da un'abside, scandito da colonne che reggono volte a crociera, le quali sostengono, a loro volta, il pavimento dei due ambienti superiori. Sia la cripta che la navata destra non sono originali, ma sono rifacimenti in stile del tardo Ottocento. Qui, in un elegante stile bizantino-ravennate, riposa il corpo di Severino Boezio, il grande console, senatore e filosofo, vittima nell'anno 525 della crudeltà del re Teodorico ariano.

A destra della cripta, nel piedistallo che regge il grande pilastro, giace il corpo di Liutprando, re dei Longobardi, benemerito per lo splendore che egli assicurò a questa Basilica trasferendo dalla Sardegna, nel 724, le sacre reliquie di Agostino. Queste reliquie, scoperte nella cripta nel 1695, giacciono attualmente dentro un'urna d'argento, ai piedi dell'Arca marmorea.

Nel presbiterio, prima del coro, si trova l'Arca di sant'Agostino, un capolavoro marmoreo del Trecento, scolpito dai maestri comacini. Si tratta di un'opera gotica, divisa in tre fasce: in basso, uno zoccolo contenente l'urna con i resti del santo abbellito dalle statue di santi e dalle Virtù; al centro, una fascia aperta, con la statua di Sant'Agostino dormiente e, in alto, l'ultima fascia, poggiata su pilastrini e coronata da cuspidi triangolari che narrano episodi della vita del Santo. L'intera opera è decorata da più di 150 statue, che raffigurano angeli, santi, vescovi e da formelle con miracolia del santo.

Della presenza del corpo di Boezio presso San Pietro in Ciel d'Oro tratta Dante nel canto X del Paradiso, ove si scrive:

« Lo corpo ond'ella fu cacciata giace

giuso in Cieldauro; ed essa da martiro

e da essilio venne a questa pace »