Conocida anteriormente como Cappella Magna, toma su nombre del papa Sixto IV, quien ordenó su restauración entre 1477 y 1480.

La fama de la Capilla Sixtina se debe principalmente a su decoración al fresco, y especialmente a la bóveda y el testero, con El Juicio Final, ambas obras de Miguel Ángel.

[1]​[2]​ Entre 1508 y 1512, por encargo del papa Julio II, Miguel Ángel decoró la bóveda, creando una obra de arte sin precedentes que cambiaría el curso del arte occidental.

En la época de Sixto IV, a finales del siglo XV, este órgano estaba formado por unas 200 personas, incluyendo a clérigos, oficiales de la Santa Sede y laicos distinguidos.

Había 50 ocasiones a lo largo del año establecidas por el calendario papal en las que la Capilla Pontificia al completo debía reunirse.

Las otras 27 misas podían ser celebradas en un espacio más pequeño e íntimo, para lo cual era usada la Capella Maggiore, antes de ser reconstruida como actual Capilla Sixtina.

[7]​ La capilla actual, situada en el lugar que ocupaba la Cappella Maggiore, fue diseñada por Baccio Pontelli para Sixto IV, de quien toma su nombre, y construida bajo la supervisión del arquitecto Giovanni de Dolci entre 1473 y 1481.

Por ejemplo, en ella se celebra cada año una misa con motivo de la fiesta del Bautismo del Señor, durante la cual el Santo Padre imparte el bautismo a los recién nacidos.

En algunas ocasiones especiales, también allí se celebra la misa papal con el Colegio Cardenalicio o la Casa Pontificia reunidos en pleno, y en otras ocasiones se cantan vísperas solemnes con la presencia del papa.

Hay un coro permanente, la Capilla Musical Pontificia, schola cantorum o escolanía de la Capilla Sixtina, para el que se han compuesto algunas piezas originales, siendo la más famosa el Miserere de Gregorio Allegri.

[10]​ Dos importantes encuentros de artistas con el papa tuvieron lugar en la Capilla Sixtina.

Si sale humo blanco (fumata bianca), formado al quemarse en una estufa las papeletas de la elección, significa que el cónclave ha finalizado y que se ha elegido a un nuevo papa.

Si ningún candidato obtiene la mayoría (dos tercios de los votos), sale humo negro (fumata nera), formado al quemarse las papeletas junto con paja húmeda y algunos productos químicos, que indica que todavía no ha habido una elección satisfactoria.

Los cónclaves han sido celebrados en el Vaticano desde 1455 (en la Capilla Sixtina a partir de 1878).

[14]​ Desde 1996, la Constitución Apostólica Universi Dominici Gregis de Juan Pablo II establece que los cardenales se alojen en la Domus Sanctae Marthae durante el cónclave, pero que las votaciones se realicen en la Capilla Sixtina.

[15]​ Antiguamente, todos los cardenales electores usaban un palio durante el cónclave como signo de equivalente dignidad.

Hasta las reformas establecidas por San Pío X, los palios eran de diferentes colores para distinguir a los cardenales nombrados por cada papa.

[16]​ El exterior no tiene adornos arquitectónicos ni escultóricos, como es común en muchas iglesias medievales y renacentistas de Italia.

La construcción de otros edificios contiguos también ha alterado el aspecto original del exterior.

Esta pasarela ha sido cubierta, pues originaba goteras en la bóveda de la capilla.

Para mantener la proporción, había seis ventanas a cada lado y dos en cada extremo.

Los escultores de la transenna también crearon la cantoria o púlpito para el coro.

Del diseño actual, la primera parte fue la decoración de las paredes laterales, que están divididas en tres secciones.

Es posible que el proyecto fuera supervisado por Perugino, cuyo trabajo fue anterior al de los florentinos.

En la zona inferior, entre las ventanas, hay una Galería de Papas, pintada al mismo tiempo que las Vidas.

Originalmente, el encargo consistía en pintar a los doce apóstoles en las pechinas que sustentan la bóveda; sin embargo, Miguel Ángel exigió tener carta blanca en el diseño de la decoración.

[22]​ Años más tarde, Miguel Ángel pintó también El Juicio Final sobre la pared del altar, entre 1536 y 1541, por encargo de Paulo III.

[23]​ Miguel Ángel quedó intimidado por las dimensiones del encargo y dejó claro desde el principio que prefería rechazarlo.

A diferencia de los otros frescos de la capilla, las figuras son muy musculosas y parecen algo torturadas, incluso la Virgen María, en el centro junto a Cristo, parece estar encogida.

Como representó figuras desnudas, el artista fue acusado de inmoralidad y obscenidad.