La cappella decorata originariamente dal Pinturicchio venne radicalmente rinnovata tra il 1680 e il 1687 dal cardinale Alderano Cybo che commissionò il nuovo progetto all'architetto Carlo Fontana. Questi ideò una pianta a croce greca con cupola affrescata da Luigi Garzi e ricoprì le pareti con marmi preziosi. Nel 1684 vennero completati entrambi i monumenti funerari dei cardinali Lorenzo e Alderano Cybo, realizzati da Francesco Cavallini, mentre l'anno successivo (1685) Daniele Seyter dipinse le due grandi tele laterali del vestibolo. Infine la cappella venne completata da Carlo Maratta che dipinse la grande pala d'altare (1686) con l'Immacolata Concezione e Santi eseguendo l'opera con la tecnica a olio su muro.