La basilica palatina di Santa Barbara fu costruita su istanza del duca Guglielmo Gonzaga e su progetto dell'architetto mantovano Giovan Battista Bertani, l'opera fu edificata in due fasi, dal 1562 al 1567 e dal 1569 al 1572, e dal 1565 le cerimonie religiose di corte vennero dirette dagli innumerevoli abati.
Santa Barbara può essere considerata il capolavoro sia del committente sia dell'artefice; dotata dal duca di numerosi privilegi, dell'esenzione dal controllo vescovile e della possibilità di fregiarsi di un rito proprio, diverso da quello romano, fu pensata come sede delle fastose cerimonie liturgiche corredate da musica sacra di altissimo livello, la vera passione del duca, grazie anche al prezioso organo Antegnati.
Le forti scosse di terremoto dell'Emilia del 29 maggio 2012 hanno provocato danni al cupolino del campanile della basilica.
La struttura architettonica è decisamente singolare: un impianto centrale, con al centro un tiburio quadrato, è seguito da un profondo presbiterio sopraelevato coperto da un secondo tiburio simile al primo e seguito da una scenografica abside decorata con strani cassettoni intersecantisi.
L'impianto longitudinale è quindi costituito dalla somma di due cellule a pianta centrale e dal successivo presbiterio semicircolare, che sovrasta una profonda cripta costituita da uno spazio rettangolare e da un sacrario ovale.
Gli ordini architettonici dell'esterno e dell'interno sono singolarmente "sincopati", con un effetto quasi metafisico; le paraste sono infatti costituite da semplici fasce prive di base e capitello.
Il campanile in mattoni, sormontato da un singolare tempietto rotondo, è uno degli elementi più caratteristici del panorama urbano di Mantova.
Il modello al quale si ispirò l'architetto di corte Giovan Battista Bertani era il tempietto circolare di San Pietro in Montorio del Bramante al quale sostituì il colonnato a trabeazione vitruviana con una loggia serliana nel solco della lezione di Sebastiano Serlio e Andrea Palladio.
All'interno, nei due altari laterali, sono collocate due grandi tele di Lorenzo Costa il Giovane, ideate dallo stesso Giovan Battista Bertani, “Il battesimo di Costantino” e “Il martirio di sant'Adriano”.
Tra gli altri dipinti, la pala nel presbiterio con “Il martirio di santa Barbara” di Domenico Brusasorci (1564), “L'Annunciazione” dipinta su un lato delle ante dell'organo da Fermo Ghisoni, che sull'altro lato raffigurò “santa Barbara e san Pietro” (1566 circa).
Nella basilica palatina trovarono sepoltura importanti componenti della dinastia dei Gonzaga, che vennero alla luce durante alcuni lavori di restauro nel 2007;
- Federico II Gonzaga, primo duca di Mantova;
- Francesco III Gonzaga, secondo duca di Mantova;
- Guglielmo Gonzaga, terzo duca di Mantova;
- Guglielmo Domenico, figlio di Vincenzo I Gonzaga;
- Francesco IV Gonzaga, quinto duca di Mantova;
- Carlo I di Gonzaga-Nevers, ottavo duca di Mantova;
- Ferdinando Carlo di Gonzaga-Nevers, decimo duca di Mantova (solo il cranio, altri resti a San Francesco Grande a Padova).
