Progettata da Leon Battista Alberti nel 1460, la chiesa di San Sebastiano fu poi realizzata da Luca Fancelli. I lavori durarono a lungo e il tempio fu consacrato nel 1529. Un primo restauro si ebbe nel Seicento, ma fu seguito da altri. Nel 1706 la cripta fu usata come magazzino militare e nella seconda metà dell'Ottocento come deposito di foraggio.
La facciata, dotata di un vestibolo a cinque fornici, era impreziosita dall'affresco della Madonna in trono con San Sebastiano, San Fabiano e Francesco II del Mantegna, ora degradato. L'originaria concezione architettonica della chiesa, ricca di colti riferimenti classici, è stata decisamente stravolta da un restauro realizzato nei primi anni del '900 che ha previsto l'aggiunta di due scalinate.
L’interno è a croce greca. L'altare cinquecentesco è circondato da quattro colonne toscane, e attualmente raccoglie i plastici in legno della mostra dedicata all’Alberti nel 1994. Il tempio, adibito a Famedio dei caduti per la Patria, ospitava un monumento dedicato ad alcuni martiri di Belfiore. Recentemente riedificato, il monumento è ora collocato nella Valletta di Belfiore, mentre nel tempio rimane un'urna contenente i resti di alcuni martiri.
