L'église est censée être construite sur les ruines de l'arène romaine où, selon de nombreuses légendes, S. Vitale et S. Agricola auraient été torturés pendant l'empire de Dioclétien. Leurs corps ont été identifiés par S. Ambrogio lors de sa visite à Bologne en 392.
L'église a été reconstruite par les religieuses appartenant à l'ordre de Saint-Benoît au XVIe siècle et abrite encore de précieuses œuvres d'art telles que la chapelle Renaissance Maria degli Angeli a attribué à Gasparo Nadi et à une crypte évocatrice appartenant au bâtiment d'origine.
L'église a subi de nombreux changements: elle a été supprimée et fermée par Napoléon, pour être vendue et utilisée comme cercle littéraire par la comtesse Cornelia Barbara Rossi di San Secondo. Seulement à la fin de la période napoléonienne, l'église a été restaurée à son usage d'origine.