Un primo cenno di un edificio di culto dedicato a San Vitale risale al IX secolo ed è tradizione che sia stato fondato da re Pipino di Francia. Nel 1913, l'edificio divenne di proprietà comunale. 
Fino al 1651, anno della demolizione e della progettazione di un nuovo e grandioso tempio, la chiesa aveva dimensioni minori. L'attuale forma a croce latina, con una sola navata terminante in un ampio presbiterio sormontato da cupola di tipo vignolesco e completa di dieci cappelle divise da pilastri d'ordine composito, si deve all'architetto Cristoforo Rangoni detto il Ficarelli. 
L'elegante facciata articolata su due ordini è opera dello scultore Felice Pascetti ed è arricchita da sei statue attribuite a Pietro Sbravati raffiguranti in alto San Vitale e Santa Valeria, sua sposa, sotto ai lati esterni i figli, Santi Gervaso e Protaso e nelle nicchie verso il centro San Gregorio Magno e Sant'Ambrogio. 
All'interno, l'urna sotto l'altare maggiore conserva il corpo di San Vitale, portato da Roma nel 1648 da Gherardo III di Sissa. La decorazione pittorica del presbiterio, datata al 1760, è del reggiano Antonio Betti, mentre i riquadri raffiguranti Episodi della vita di San Vitale sono opere del 1763 del pittore parmense Giuseppe Peroni. 
L'arredo in stucco, unico nel suo genere a Parma, è tra i più fastosi esempi di decorazione plastica barocca in Emilia. 
La chiesa possiede inoltre vari dipinti di artisti accademici dell'Ottocento parmense, come il grande quadro con San Gregorio che prega per le anime del purgatorio di Giovanni Tibaldi, L'Assunta di Giovanni Gaibazzi e le tele di Matteo Rusca, Latino Barilli e Donnino Pozzi.