Vor der - im Mittelalter noch bestehenden - römischen Stadtmauer, in der Nähe des westlichen Stadttores an der Via Belgica nach Aachen, wurde mutmaßlich im 9. Jahrhundert eine erste, kleine Kirche errichtet. Eine genauere Datierung dieses Baus und ein Nachweis einer eventuell noch älteren, (spät-)antiken Kultstätte an dieser wichtigen Ausfallstraße (wie es etwa an der nördlichen Ausfallstraße mit St. Ursula und der südlichen Ausfallstraße mit St. Severin der Fall ist), ist mit den vorhandenen Daten und Funden nicht möglich.

Die erste gesicherte Erwähnung dieser Vorgängerkirche findet sich in der Vita Brunonis archiepiscopi Coloniensis, der Lebensgeschichte des heiligen Bruno von Köln. In diesem Werk von 965  berichtet der Autor von einer kleinen Kirche, die den heiligen Aposteln geweiht war und in der Bruno nach seinem Tode aufgebahrt wurde. 

Erzbischof Pilgrim gründete um 1021 an der Kirche ein Kanonikerstift. Aus diesem Anlass wurde ein größerer Neubau begonnen, der bis 1036 weit genug fortgeschritten war, dass Pilgrim im westlichen Chor bestattet werden konnte. Bei dem Neubau handelte es sich um eine  eine dreischiffige, flachgedeckte Pfeilerbasilika mit ausladendem Querhaus und anschließendem, quadratischem Chor samt darunter liegender Krypta im Westen.

Die Ausrichtung des Altarraumes nach Westen war unüblich, in den meisten Kirchen liegt der Altarraum gen Osten. Ob es sich hier um eine Anlehnung an den Petersdom im Vatikan (der bis zum heutigen Tage nach Westen ausgerichtet ist) oder schlicht um eine aus der Umgebungsbebauung des frühen Mittelalters resultierende Notwendigkeit handelte, ist nicht bekannt. Fakt ist jedoch, dass erst im 12. Jahrhundert mit der mittelalterlichen Stadterweiterung die unmittelbar östlich vor dem Kirchbau liegende (und über eine heute zugemauerte Pforte in 7,80m Höhe direkt aus dem Kirchraum begehbare) Römermauer niedergelegt wurde und der Kirchraum seine Ausrichtung nach Osten erhielt.

Zwischen 1150 und 1250 wird der Kirchenbau erweitert und mehrmals umgebaut. Zuerst wird im Westen ein mächtiger, fünfgeschossiger Turm errichtet und die Krypta erneuert.

Nach einer Feuersbrunst 1192 wird bis 1220 am bestehenden Langhaus im Osten ein Kleeblattchor (Dreikonchenchor) errichtet, für den mutmaßlich St. Maria im Kapitol als Vorbild diente. Der Kirchenraum erhiält damit seine Ausrichtung nach Osten (s. oben). Der alte Westchor wird zur Vorhalle des neuen Haupteinganges umgebaut. Die Seitenschiffe werden gewölbt und südlich der Kirche werden umfangreiche Stiftsgebäude errichtet.

Im Rahmen einer Barockisierung des Innenraumes im 17. Jahrhundert werden 1643/44 in die westlichen Turmmauern die bis heute vorhandenen Eingänge gebrochen, das Gewölbe für die Orgeltribüne eingebaut und die Krypta zugeschüttet.

Im 2. Weltkrieg wird St. Aposteln mehrmals schwer beschädigt. Betroffen sind Gewölbe in Langhaus, Querhaus, Westchor sowie in Vierung und zwei Konchen, das nördliche Seitenschiff, obere Teile des Turmes und sämtliche Dächer.

Bis 1957 ist die Kirche notdürftig soweit wiederhergestellt, dass der Kirchenraum wieder für Gottesdienstfeiern genutzt werden kann.

Bis 1975 ist die Außengestalt in den ursprünglichen Formen wiederhergestellt. Die Ausstattung des Innenraumes inklusive Neuausmalung der Gewölbe dauert noch bis 1993. 1965 erhebt Papst Paul VI. St. Aposteln in den Rang einer Basilika minor.