La chiesa si vuole innalzata sui resti dell'Arena romana dove, secondo la tradizione, sotto l'impero di Diocleziano, subirono il martirio i Santi Vitale e Agricola, i cui corpi furono riconosciuti da sant'Ambrogio durante la visita compiuta a Bologna nel 392.
Ricostruita dalle monache benedettine nel secolo XVI, ospita pregevoli opere artistiche tra cui  la rinascimentale cappella di San Maria degli Angeli attribuita a Gasparo Nadi e una suggestiva cripta millenaria, unico resto della chiesa primitiva.
La chiesa subì varie vicissitudini: soppressi gli ordini monastici da Napoleone, il convento annesso alla chiesa venne chiuso per essere venduto e poi adibito a cenacolo letterario dalla contessa Cornelia Barbara Rossi di San Secondo. Solo alla fine del periodo napoleonico la chiesa ritornò ad assumere la sua funzione originaria, che conserva ancora adesso.