Gioiello artistico di rara bellezza, rappresenta un luogo in cui si fonde arte e sentimento religioso: l'icona della Salus Populi Romani, che la pia tradizione vuole dipinta dall'evangelista Luca, accoglie con il suo sguardo materno coloro che si rivolgono a lei.

Nel 1605 saliva sul trono pontificio Paolo V (1605-1621) a cui si deve la Cappella della Madonna, detta anche Borghese o Paolina, contrapposta alla Sistina e ad essa simmetrica nella pianta e nello schema architettonico.

Anche essa, infatti, è a croce greca, con comparti corinzi ed ha quattro grandi arconi, retti da arditissimi pilastri, su cui poggia la cupola.

Fu edificata per custodire l'Immagine della Madonna "Salus Populi Romani", per ordine di Paolo V, su disegno dell'architetto Flaminio Ponzio (1560-1618), tra gli anni 1606 e 1612; la consacrazione ebbe luogo il 27 gennaio 1613, ma le decorazioni continuarono anche negli anni seguenti. È costata alla Camera Apostolica la somma di 299.261 scudi e 61 baiocchi. Di soli 25 anni più giovane della Sistina, ha decorazione pittorica libera ed impetuosa. Con i suoi marmi pregiati e intonati alle cornici dorate; con gli angeli di bronzo (di una bellezza splendente) e di stucco (che si slanciano con ali vibranti e sorridono), con il suo altare maestoso, il cui blu intenso incanta coloro che ne gustano i particolari, con i suoi monumenti grandiosi e raffinati, la Borghese offre segni più marcati del primo manifestarsi del Barocco che le imprime una singolare vibrazione di gioia e di vita. Gli artisti o manieristi più celebri dell'epoca hanno gareggiato nell'adornarla.

Il primo modello dell'altare veniva realizzato in legno di pero nel 1607 ed un anno dopo il fonditore Pompeo Targoni cominciava a lavorarvi per concluderlo nel settembre del 1612. L'opera si presenta sfavillante di metallo dorato, forgiato nelle forme ariose e movimentate degli angeli, che sorreggono la cornice entro la quale è racchiusa la Salus Populi Romani, modellati da Camillo Mariani: la ricchezza dei dettagli e la preziosità dei contrasti luministici che animano gli angeli del Mariani devono molto al manierismo fiorentino del Sansovino, ma riescono a tradursi anche in un potente acuto lirico in grado di alleggerire la forte massa della struttura architettonica. Mariani ha scolpito, inoltre, la statua di S. Giovanni Evangelista.  Senza dubbio il pezzo scultoreo e decorativo più interessante all'interno delle membranature dell'altare maggiore della Cappella Paolina è il bassorilievo sul frontespizio, opera di Stefano Maderno e raffigurante Papa Liberio, che traccia il perimetro della basilica sulla neve. Al Maderno devono essere attribuiti anche gli angeli reggicartiglio posti ai lati delle tombe. La mensa dell'altare fu offerta nel 1749 dalla principessa Agnese Colonna Borghese, i cui stemmi vi sono impressi.

Giuseppe Cesari, detto il Cavalier d'Arpino, ha eseguito nel lunettone sopra l'altare: a sinistra, l'affresco che rappresenta l'apparizione della Madonna e di San Giovanni Evangelista a S. Gregorio Taumaturgo, e a destra alcune persone morse dal serpente dell'eresia e il Tempio di Dio con una folla di veri credenti. Lo stesso artista ha dipinto nei pennacchi della cupola i grandi Profeti: Isaia, dall'aspetto scarno, bianchi i capelli e la barba, in veste azzurra, mantello rosso e piedi nudi; Geremia dalla fronte calva, la barba canuta, in veste azzurra e mantello giallo che lo avvolge e scende fino ai piedi; Ezechiele dall'aspetto giovanile, capelli biondi, vermiglie le gote imberbi, in veste paonazza ornata di liste azzurre, priva di maniche (risultando così nude le braccia) e mantello giallo che circonda la persona; Daniele giovane seduto, capelli biondi lunghi ondeggianti, carnagione bianca, in veste celeste ricamata d'oro, maniche rovesciate, mantelletto purpureo. Lo stesso Cavalier d'Arpino ha dipinto, nell'arco della tribuna dell'altare, i Santi Vescovi Ignazio e Teofilo, Ireneo e Cipriano.

L'Assunta, all'interno della cupola, è di Ludovico Cardi, detto il Cigoli. Sopra le nubi, Maria Santissima rapita in cielo. La luna sotto i piedi della Madre di Dio è stata dipinta dall'autore esattamente come l'aveva rivelata il telescopio di Galileo che era amico del Cardi. Gli Apostoli, alcuni seduti altri ritti, seguono con lo sguardo il trionfo della Madonna che tiene nelle mani lo scettro di regina. Davanti alla Vergine, che ha schiacciato il serpente, si apre l'Empireo mentre una moltitudine di Angeli rotea, a schiere, a festeggiarla. Da quella moltitudine si stacca un gruppo di Cherubini che si restringono, a guisa di nube, pronti a far trono con le loro ali dorate; altri gruppi danno fiato alle trombe; altri sciolgono i canti; altri spargono i fiori. Più in alto si vedono miriadi di spiriti angelici dei quali si scorgono soltanto le mezze persone, o i busti o le teste.

Un cupolino con sei finestrelle fa da maestosa lanterna alla cupola. In profondità è dipinto un Padre Eterno, cui fanno corona schiere di serafini. Giovanni Baglione nella volta della navatella, davanti a questa Cappella, ha dipinto Dottori ed Evangelisti; all'interno sull'arco sopra l'ingresso, le figure di Giuliano l'Apostata, di Leone IV armeno e di Costantino Copronimo; nell'ovale sovrastante l'altare, l'immagine di S. Luca.

Sull'arcone di destra Guido Reni ha affrescato i Santi Cirillo d'Alessandria, Idelfonso, Giovanni Crisostomo e le Sante Pulcheria, Gertrude e Cunegonda; e sull'arcone di sinistra, S. Eraclio, S. Narsete e le potenti figure di S. Domenico e S. Francesco. Sempre sull'arcone di sinistra, sopra il monumento di Paolo V, Guido Reni ha raffigurato anche l'Eterno Padre sdegnato per la malvagità degli uomini. Ancora di Stefano Maderno sono alcuni putti del fregio che gira all'intorno, all'altezza dei capitelli.

Nicola Cordier ha, invece, scolpito le statue di Davide che schiaccia il gigante Golia e con l'indice addita il suo discendente: il Messia, e quelle di Aronne, di San Bernardo e San Atanasio. La statua di S. Giuseppe è stata realizzata da Ambrogio Buonvicino.

Entrando nella Cappella, a destra, vi è il monumento a Clemente VIII (1592-1605) di Silla di Viggiù, mentre le cariatidi, dal forte senso pittorico, sono opera di Pietro Bernini. A sinistra è il monumento a Paolo V (anch'esso di Silla di Viggiù) ritratto in atteggiamento di grande devozione.