L’Église, dont les origines remontent à plusieurs siècles, appartenait initialement à l’ordre de Saint-Benoît. Après avoir abrité un groupe de religieuses au XIIIe siècle, en 1516, l'église fut démolie pour être remplacée par un bâtiment plus grand conçu par Andrea da Formigine, qui construisit le portique et l'enrichit de décorations raffinées (maintenant endommagées).
À la fin du XVIe siècle, il fut confié aux Théatins à la reconstruction de l'église par G. Battista Natali et Agostino Barelli: un nouveau clocher et un nouveau dôme furent ajoutés à l'édifice d'origine. Après cela, les moines a décidé de le renommer après le fondateur de leur ordre, donnant ainsi à l'église un nouveau titre: San Bartolomeo (le nom d'origine) et San Gaetano Thiene (leur fondateur). À l'intérieur de l'église, on peut trouver de nombreuses peintures de Lodovico Carracci, Guido Reni et d'autres. De plus, à côté du maître-autel, se trouve une petite chapelle où fut enterrée la mystique bolognaise Prudenziana Zagnoni.