Nel 1532 alla profondità di duecento piedi fu provato un sepolcro pre-etrusco. Si scavò prima nel tufo e poi nell'argilla e, raggiunta la falda acquifera, si ricostruì in mattoni il profondo cilindro. I lavori finirono nel 1537.

A sezione circolare è profondo sessantadue metri e largo tredici.

Intorno alla canna del pozzo girano a spirale due scale a chiocciola progettate in maniera tale da correre sovrapposte l'una all'altra senza però comunicare tra loro: ciò serviva a far si che le persone con i muli che si recavano nel fondo del pozzo ad attingere acqua non intralciassero il cammino di chi, dopo essersi procurato l'acqua, stava risalendo in superficie.
Ogni scala ha duecentoquarantotto scalini, che erano facili anche per le bestie da soma. Le scale prendono luce da settantadue finestre centinate aperte nella canna. La luce viene diminuendo a mano a mano che si discende, fino a diventare penombra. In fondo alla canna un piccolo ponte collega le due scale.
La parte esterna del pozzo, una larga e bassa costruzione cilindrica, è decorata da gigli farnesiani di Paolo III, nella quale si aprono due porte ai punti diametralmente opposti.
Sul fondo il livello dell'acqua, alimentata da una sorgente naturale, si mantiene costante per via di un emissario che fa defluire la quantità eventualmente in eccesso. 

Il pontefice incaricò Benvenuto Cellini di coniare una medaglia, una copia in oro èconservata ai musei Vaticani, con la scritta "UT POPULUS BIBAT" ("perché il popolo beva"). 
Sull'entrata la scritta "quod natura munimento inviderat industria adiecit" ("ciò che non aveva dato la natura, procurò l'industria") ovvero la potenza dell'ingegno umano che sopperisce le carenze della natura.

Sembra che il nome Pozzo di San Patrizio risalga all'Ottocento, quando i frati della chiesa dei Servi  lo collegarono alla leggenda dell'irlandese San Patrizio . Si narra che il Santo pregasse in un'enorme cavità quasi senza fine e che questa fosse collegata alle porte del Purgatorio da cui si poteva intravedere il Paradiso. 
I frati, che conoscevano bene la storia del santo irlandese decisero di dedicargli il pozzo perché gli ricordava, vista la sua profondità, il baratro in cui  pregava. Di conseguenza il pozzo da militare acquisì  anche un'aurea di sacralità.

Oggi con l'espressione "pozzo di san Patrizio" si usa anche indicare una riserva misteriosa e sconfinata di ricchezze.