L’edificio conventuale Ss. Marcellino e Festo è frutto dell’unione di due monasteri femminili basiliani confinanti risalenti all’alto Medioevo, uno del VII secolo dedicato ai santi Marcellino e Pietro, l’altro invece dedicato al culto di Festo e Desiderio e fondato nell’VIII secolo per volontà di Stefano II, vescovo e duca di Napoli.
Nel 1565 quello dei Santi Festo e Desiderio venne soppresso perché non rendeva economicamente e quindi le monache del monastero furono accorpate a quelle di San Marcellino e Pietro, il cui complesso assunse la nuova e definitiva intitolazione. Appena due anni dopo la struttura venne nuovamente rimaneggiata su progetto di Giovanni Vincenzo Della Monica, i cui lavori di ammodernamento durarono circa trent’anni, dal 1567 al 1595.
Nel 1707 fu avviato un ulteriore intervento di restauro sulla facciata della chiesa finché a metà del secolo non fu nuovamente restaurato tutto il complesso su progetto di Mario Gioffredo e Luigi Vanvitelli; in seguito, 
il primo fu estromesso mentre il secondo terminò il lavoro di consolidamento della cupola e il rifacimento del monastero con la chiusura del lato est del chiostro e la conseguente realizzazione dell’Oratorio della Scala Santa. In questa fase i lavori terminarono definitivamente nel 1772.
Nel 1809, sotto il regno di Gioacchino Murat, il monastero fu soppresso perdendo così la sua funzione religiosa. Nel 1829 divenne invece educandato femminile assumendo la denominazione di “Secondo Educatorio Regina Isabella di Borbone” mentre nel 1907 un’ala del complesso fu destinata ad ospitare alcuni locali dell’Università degli Studi di Napoli Federico II, tuttora attiva nello spazio occupato dal chiostro monumentale e dall’oratorio della Scala Santa. Nel 1932 infine, in altri ambienti del monastero, come la sala del Capitolo e quella del Teatrino, venne istituito il Museo di Paleontologia di Napoli.
La chiesa oggi si presenta con una facciata progettata all’inizio del Seicento dal Di Conforto e D’Apuzzo, seppur sono evidenti le reminiscenze cinquecentesche dell’architettura, molto simile a quelle della chiesa di Santa Maria la Nova e di Santa Maria Regina Coeli. L’interno è a pianta a croce latina con cupola e un’unica navata sulla quale si aprono sei cappelle laterali, tre a lato. Le decorazioni si presentano con un intatto fascino frutto soprattutto dell’utilizzo abbinato di marmo e legno intagliato.
Le pareti, interamente in marmi policromi, risalgono al XVIII secolo e furono progettate prima dal Gioffredo e dal Vanvitelli, per poi essere eseguite dai marmorari Antonio Di Lucca e Domenico Tucci tra il 1759 e il 1767. 
Allo stesso Vanvitelli appartengono inoltre i progetti delle due grandi cappelle sulle pareti frontali del transetto, datate 1760-1762, mentre le gelosie in legno intarsiato furono invece realizzate tra il 1761 e il 1765 da Giuseppe D’Ambrosio.