È una basilica che trae la sua origine da un oratorio risalente al IV secolo e dedicato ai santi Gervasio e Protasio, martiri di origini milanesi, figli di san Vitale, i cui corpi erano stati ritrovati da S. Ambrogio.
Verso la fine del secolo, la pia matrona Vestina lascia tutti i suoi averi all’oratorio, che viene ristrutturato in basilica a tre navate e consacrato da papa Innocenzo I nel 402 in onore di Vitale, della moglie Valeria e dei figli Gervasio e Protasio.
Preti del titulus Vestinae sottoscrivono gli atti del Sinodo romano del 499, mentre nella sottoscrizione del sinodo del 595 compare l’appellativo titulus Sancti Vitalis.
La Basilica fu restaurata e dotata di ricchi doni da papa Leone III, poi nuovamente in epoca medievale, e, infine, completamente rifatta dai papi Sisto IV e Clemente VIII: questi ultimi interventi ridussero la chiesa ad una sola navata, al posto delle tre originarie, e portarono alla scomparsa del portico, chiuso e ridotto a vestibolo della chiesa.
Nel 1859 Pio IX fece costruire la caratteristica scalinata d’accesso che è in discesa a causa dell’innalzamento del piano stradale in seguito alla costruzione di via Nazionale. Lavori di restauro effettuati nel 1937-38 hanno infine ripristinato il portico originario.
