Da det omsider blev bestemt, at der skulle indrettes en kirke i ruinerne af Diocletian's Termer på Esquilinhøjen i Rom, havde den gamle præst Antonio Lo Duca, som i så mange år havde kæmpet for at realisere denne drøm, håbet at det blev det præstefællesskab, som han havde samlet, som ville få ansvaret for den nye kirke. Pave Pius IV var imidlertid ikke enig med ham i dette, da Antonio's broderskab var så fattigt, at de umuligt ville kunne påtage sig en så udgiftskrævende opgave. I stedet bad Paven Antonio om at forhøre sig i de eksisterende munkeordener, som havde økonomien på plads, om de ville påtage sig ansvaret.

Antonio Lo Duca havde ikke meget held med sig, da alle frygtede de meget store udgifter, der ville være forbundet hermed. Men endnu en gang kom forsynet den gamle præst til hjælp.

Antonio's ene nevø, billedhuggeren Jacopo Del Duca, fik på dette tidspunkt en bestilling fra Karteuserklosteret i San Bartolomeo di Campagna, hvor han drog ned for at udhugge et marmorrelief med religiøst motiv. Under hans ophold i klosteret viste munkene ham et gammelt dokument, en bulle fra Pave Urban V's tid (1362-1370), hvori Paven havde givet dem ret til i ruinerne af Diocletian's Termer at opføre et kloster, da de havde modtaget tilsagn om en testamentarisk pengegave fra brødrene Niccolò og Napoleone Orsini. Inden dette projekt kom i gang, døde imidlertid den ene af Orsini-brødrene og den anden broder skiftede mening og fik i stedet lov til at bruge pengene på en ombygning af det faldefærdige kloster ved Santa Croce in Gerusalemme, som var blevet helt forladt efter at Paven var flyttet til Avignon.

Da Antonio Lo Duca hørte denne historie fra sin nevø, mindedes han samtidig, at Karteuser-Ordenens stifter San Brunone i 1091 rent faktisk havde fået overdraget ruinerne af Pave Urban II for at genopbygge det kloster, som var tilknyttet den gamle Kirke San Ciriaco in Thermis. Karteusernes forbindelser med Diocletian's Termer gik altså langt tilbage og Antonio Lo Duca havde heller ikke noget at udsætte på de alvorlige og tavse munke, der også er meget hengivne overfor Maria-dyrkelsen, så han foreslog Paven, at denne Orden skulle have ansvaret for Santa Maria degli Angeli.

Karteuserne var nu ellers ikke særligt interesserede i at påtage sig nye udgifter, men omsider blev der lavet den aftale, at Paven skulle afholde udgifterne til indretningen af Kirken, mens Karteuser-Ordenen selv skulle bekoste byggeriet af et nyt kloster i forbindelse med Kirken. Herhen skulle så flytte de munke, som boede i Klosteret ved Kirken Santa Croce in Gerusalemme ude i Lateran-kvarteret. Det ville ikke være noget dårligt bytte, for luften derude var meget usund og munkene lå ustandseligt syge af malaria. På Esquilinhøjen var luften tør, ren og frisk og munkene fik lov at bygge deres klostergård med munkenes celler på det mest åbne og ventilerede sted, de kunne finde.

Kardinal Farnese overlod sin park og vingård med alt tilliggende jord til det nye kloster. Det var et område, der strakte sig fra Termerne og mod nordvest op mod Castro Pretorio og det blev på dette luftige og åbne areal, at klosteret blev opført.

På den anden side af Termerne overlod Kardinal Carlo Borromeo den store park, som i sin tid var ejet af Kardinal du Bellay, til sin onkel Pave Pius IV for at denne kunne forære den til det nye kloster. Det er der hvor idag Piazza della Repubblica ligger ned til omkring Via Firenze.

I mellemtiden var arbejdet med at indrette Kirken begyndt i 1561. Det var Michelangelo, der stod for projektet, og nogle mener at han også har haft del i udformningen af klosteret. Han døde imidlertid i 1564 og man har ikke sikre beviser på hans deltagelse. Det blev hans elev, Antonio Lo Duca's nevø Jacopo, som udførte tegningerne og som ledede byggeriet, ligesom han stod for den fortsatte kirkeindretning.

Et "Certosa", Karteuserkloster, bygges altid efter et bestemt skema. Det skal rumme 2 aflukkede og afsondrede klostergårde med buegange, hvorudtil munkenes celler støder, og en række fælles rum: kapitelsal, refektorium, bibliotek, forrådsrum og køkken. Det er et stort og dyrt anlæg og det eneste sted, der kan spares, er ved ikke at lave så mange munkeceller. I Certosa di Santa Maria degli Angeli er de kun lavet på den ene side af "Il Chiostro Grande" ("Den store klostergård").

Klosteret blev bygget således, at det ikke kom til at gribe ind i de resterende Termeruiner, "Il Chiostro Piccolo" ("Den lille klostergård") anlagdes til højre for Kirkens presbyterium i det der var det gamle Termeanlægs store åbne svømmebassin ("natatio"), mens "Il Chiostro Grande" kom til at ligge mellem Termernes centralkompleks og den nordlige ydermur, der gik rundt om hele Termeanlægget. I venstre side gik bygningen helt ud til den nuværende Via Cernaia og herfra kan man se ned i munkenes små haver. De ligger under nutidens gadeniveau, da dette blev hævet ved anlægget af de nye gader.

De celler man kan se her fra gaden beboedes af de munke, som levede i størst afsondrethed, "i padri", de havde hver især deres lille "rækkehus" med adgang fra den fælles søjlegang i "Den store klostergård". Husene bestod af et "forhus" ud mod søjlegangen, det var i 2 etager og havde i stuetagen 2 rum med udgang til endnu en lille privat søjlegang, en lille gård med en brønd og en gårdhave med forskellige planter. På førstesalen var der endnu et lokale og en lille loggia. Have og gårdsplads var afgrænset af høje mure, så hvert hus, "cella", var helt afsondret fra naboen. I sådanne huse skal "i padri" tilbringe det meste af deres tid i ensomhed, de beder, læser, arbejder og spiser her i ensomhed, kun ganske få gange mødes de med de andre munke i de fælles rum og de taler kun sjældent sammen, men gør sig forståelig ved tegn. De lever i "klausur", i ensomhed, afsondrethed, fordybelse og ro. Idag huser cellerne kontorerne til "Sovrintendenza ai Monumenti".

Den store Klostergård er meget smuk, buegangene består af slanke søjler og lette buer. Ovenover ses en lav første sal med små vinduer, hvert andet ovalt og hvert andet firkantet. Mod Kirken er der et lille klokketårn. Buegangene omgiver et haveanlæg, hvori munkenes kirkegård lå. Her står nogle høje pinjer og en fontæne. Det er blandt andet bygningerne i Il Chiostro Grande, som idag bruges som museum. På en af hjørnesøjlerne kan man se årstallet 1565 indridset, det skal have været det år, klosteret blev bygget.

I Padri Certosini passede kirke og kloster i mange hundrede år, de forbedrede og restaurerede, men da Vanvitelli omkring 1749 var færdig med sin restaurering og indretning af kirken, stoppede Karteuserne arbejdet på grund af deres stramme økonomi: De havde fået hjælp fra andre klostre, men efter den franske revolution truedes de franske klostre og munkene fra Grenoble måtte flytte til Rom. Senere fulgte den franske invasion og klosteret blev omdannet til kaserne og hestestald og komplekset blev en del ødelagt herved.

I begyndelsen af 1800-tallet hærgedes bygningerne af en voldsom brand med flere skader til følge og i starten af Italiens samling brugtes klosteret i 1878 til militærmagasin. Allerede efter 1870, da Pavestaten var erobret, blev klosteret overgivet til lægbrødre og kirken til Ordenen "I Minimi di San Francesco di Paola".

Siden da har der ikke været Karteusermunke i La Certosa di Santa Maria degli Angeli.