Die Kirche soll auf den Ruinen der römischen Arena erbaut worden sein, wo, laut vielen Legenden, S. Vitale und S. Agricola während des Diokletianischen Reiches gefoltert wurden. Ihre Leichen wurden von S. Ambrogio identifiziert, als er 392 Bologna besuchte. Die Kirche wurde im 16. Jahrhundert von den Nonnen des Benediktinerordens umgebaut und beherbergt noch heute wertvolle Kunstwerke wie die Renaissancekapelle von St Maria degli Angeli schrieb Gasparo Nadi und eine eindrucksvolle Krypta des ursprünglichen Gebäudes zu.
Die Kirche unterzog sich vielen Veränderungen: Sie wurde von Napoleon unterdrückt und geschlossen, um von der Gräfin Cornelia Barbara Rossi di San Secondo als literarischer Kreis verkauft und verwendet zu werden. Erst am Ende der napoleonischen Zeit wurde die Kirche in ihren ursprünglichen Zustand versetzt.