Il mausoleo, noto nel Medioevo come cappella di S. Gregorio, aveva forma ottagonale, con lati di 7,5 metri, dotato agli spigoli esterni di lesene angolari a libro e scandito all’interno da nicchie semicircolari alternate a nicchie rettangolari. Presentava una pavimentazione in mattoni analoga a quella rinvenuta nelle Terme Erculee, affiancata a un'altra parte in opus sectile marmoreo, con un motivo di esagoni alternati a triangoli. Le pareti disponevano di un altro zoccolo di marmo grigio, sormontato da tarsie marmoree e mosaici. La costruzione del mausoleo risale al 380 d.C. sulla base dei risultati di recenti indagini sulla termoluminescenza di alcuni mattoni. Accolse le tombe della famiglia dei Valentiniani. Trasformato in Cappella di S. Gregorio nel IX-X sec. e annesso alla chiesa di S. Vittore al Corpo, il mausoleo fu abbattuto alla fine del XVI sec., in occasione del rifacimento della chiesa