Di origine remota, nel sec. XI la chiesa appartenne ai Benedettini di Nonantola. Dopo avere accolto nel '200 una comunità di monache cluniacensi, nel 1516 la chiesa venne demolita per fare posto ad una nuova fabbrica di mole più imponente, affidata all'arch. Andrea da Formigine, che innalzò il superbo porticato ornandolo con raffinati intagli in macigno oggi molto deteriorati. Alla fine del '500 passò ai Teatini che, nel 1653-88, fecero ricostruire la chiesa su disegno di G. Battista Natali e Agostino Barelli, dotandola di un nuovo campanile e di una nuova cupola e aggiunsero al titolo originario di San Bartolomeo quello del fondatore del loro ordine, San Gaetano Thiene. Nel fastoso e luminoso interno opere di Lodovico Carracci, Guido Reni e dei migliori maestri della scuola bolognese del '600. Nella cappellina a sinistra dell'altare maggiore è sepolta Pudenziana Zagnoni, mistica bolognese spentasi nel fior degli anni nel 1608.