La piazza e la sua porta sono un ottimo esempio di "stratificazione" architettonica, un fenomeno consueto nella città eterna, che si è verificato per i continui avvicendamenti di pontefici che comportavano modifiche e rielborazioni dei lavori edilizi e viari. La chiesa di Santa Maria del Popolo, a lato della porta, venne eretta nell'XI secolo sul luogo dove Nerone morì e fu sepolto, ma venne poi ricostruita sotto papa Sisto IV da Baccio Pontelli e Andrea Bregno tra il 1472 ed il 1477, che le danno un aspetto maggiormente rinascimentale. Tra il 1655 ed il 1660 papa Alessandro VII decidette di restaurare la chiesa dandole un aspetto più brioso; per questo incaricò Gian Lorenzo Bernini, che restaura nuovamente la chiesa, donandole questa volta una chiara impronta barocca che si può ammirare ancora oggi. La chiesa ospita dei dipinti di grandissima importanza: del Caravaggio sono presenti capolavori come Conversione di San Paolo e Crocefissione di San Pietro, nonché diversi affreschi del Pinturicchio, L'Assunzione di Annibale Carracci, oltre alle architetture di Raffaello e del Bramante ed ad alcune sculture di Andrea Bregno e di Gian Lorenzo Bernini, come il magnifico organo sorretto da due angioletti in bronzo.
Nel 1562-1565 Nanni di Baccio Bigio, su commissione di Papa Pio IV (Medici), sistema la facciata esterna della Porta del Popolo. Successivamente, nel 1655, Papa Alessandro VII (Chigi) commissiona a Gian Lorenzo Bernini i lavori per risistemare la facciata interna ed il cornicione superiore.
Nel 1573, Papa Gregorio XIII (Boncompagni) colloca al centro della piazza una fontana di Giacomo della Porta, una delle nuove diciotto fontane progettate dopo il restauro dell'acquedotto Vergine. Ma nel 1589 Papa Sisto V (Peretti) innalza un grande obelisco al centro della piazza, l'Obelisco Flaminio, alto 24 metri, costruito ai tempi dei faraoni Ramesse II e Mineptah (1232-1220 a.C.), portato a Roma sotto Augusto e precedentemente collocato al Circo Massimo. Domenico Fontana sposta la fontana di della Porta verso l'inizio di Via del Corso.
Le due chiese gemelle, come vengono chiamate Santa Maria in Montesanto (1675) e Santa Maria dei Miracoli (1678), vengono costruite per volere di Papa Alessandro VII (Chigi), ma i lavori terminano solo dopo la scomparsa del Papa (1667), rinnovando profondamente l'aspetto della piazza, e costituendo i due poli del Tridente, formato da Via del Corso, Via del Babuino e Via Ripetta. I due edifici vengono iniziati da Carlo Rainaldi e completati da Gian Lorenzo Bernini, con la collaborazione di Carlo Fontana.
La forma della piazza assume la conformazione attuale solo alla fine del XVIII secolo. Precedentemente era una modesta piazza di forma trapezoidale, che si allargava verso il Tridente. Al tempo dell'occupazione napoleonica, infatti, l'aspetto architettonico ed urbanistico della piazza viene rivisto da Giuseppe Valadier, autore della definitiva trasformazione della piazza. Grazie al suo intervento, la piazza assume una forma ellittica, nella parte centrale, completata da una duplice esedra, decorata con numerose fontane e statue, che si protende verso la terrazza del Pincio e verso il fiume Tevere. Nel 1818, il Valadier rimuove la vecchia fontana di Giacomo Della Porta che, sotto il pontificato Papa Leone XII (Genga) (1822 – 1829) viene sostituita da una nuova architettura con quattro leoni marmorei che gettano acqua nelle quattro vasche, disposte sugli spigoli dell'obelisco. Il Valadier continua la sua opera di rinnovamento sistemando anche la zona delle pendici del Pincio, raccordando Piazza del Popolo e il colle con della ampie rampe, adornate da alberi e carrozzabili, terminate nel 1834. La terrazza del Pincio diventa una delle più celebri passeggiate di Roma, frequentata dal popolo, dalla borghesia, dalla nobiltà, dall'alto clero e dagli stessi pontefici.
Nel 1878-1879 vengono state abbattute le due torri laterali che servivano a fortificare la porta, che all'epoca aveva ancora un solo fornice, e vengono aggiunti i due fornici laterali, più piccoli.
Dopo la breccia di Porta Pia, viene ricavata una nuova via d'accesso alla piazza, adornata di giardinetti laterali, strade e scalette, dietro l'esedra sul fiume, a seguito della costruzione del ponte Margherita (1886–1891). L'ultimo intervento strutturale rilevante avviene in epoca fascista, nel 1936, quando viene inaugurata la mostra del rinnovato acquedotto Vergine nel grande nicchione sotto la terrazza del Pincio.
Oggi Piazza del Popolo è un'ampia isola pedonale, luogo di eventi pubblici importanti.