Le tre colonne rialzate oggi visibili appartengono al rifacimento di epoca augustea, ma nello stesso luogo (allora i prata Flaminia, all'esterno della città) il culto del dio Apollo esisteva già da lungo tempo: si ha notizia di un'area sacra (Apollinar), già esistente alla metà del V secolo a.C.[1]

Nel 431 a.C. venne inaugurato il primo edificio templare, dedicato ad Apollo Medico, da parte del console Gneo Giulio in seguito a una pestilenza. Il tempio fu quindi restaurato nel 353 a.C. e forse subì importanti lavori ne 179 a.C., ad opera del censore Marco Emilio Lepido, contemporaneamente alla progettata costruzione di un teatro nei pressi. Plinio[2] riferisce di statue di Apollo, di Latona e di Artemide insieme alle nove Muse, attribuite a Filisco di Rodi (II secolo a.C.).

In epoca cesariana fu probabilmente dedicato anche alla dea Diana, sorella di Apollo, in seguito alla distruzione del suo vicino tempio nei lavori per l'edificazione del teatro di Marcello.

Una radicale ricostruzione fu iniziata da Gaio Sosio, probabilmente poco dopo un suo trionfo nel 34 a.C. I lavori dovettero tuttavia presto interrompersi in seguito al conflitto tra Ottaviano e Antonio, per riprendere probabilmente solo qualche anno dopo, quando Augusto si riconciliò con Sosio, che era stato dalla parte di Antonio, per intercessione di Lucio Arrunzio: il tempio fu infine dedicato a nome del princeps. Augusto impose così a Sosio di finanziare il completamento del tempio, abbellendolo in maniera fastosa.

In occasione della costruzione del teatro di Marcello fu abolita la scalinata frontale, sostituita da due scalette sui lati del "pronao".

Si conoscono solo pochi restauri: un limitato intervento del prefetto Memmio Vitrasio Orfito (356 - 359) e forse un restauro di Anicio Acilio Fausto Glabrione, degli anni 420.

In epoca successiva dopo il crollo dell'alzato, i resti del tempio furono occupati da costruzioni medioevali e se ne perse traccia fino agli anni 1930: nel corso dei lavori di isolamento del teatro di Marcello (1926-1932), furono rinvenuti in posizione di caduta i resti del colonnato, crollati all'interno dei fornici del teatro. Di conseguenza negli anni 1937 e 1938 furono scavati i resti del podio. Nel 1940 le colonne crollate furono rialzate nella posizione che hanno tuttora, diversa tuttavia da quella originaria.