Costruita in epoca imprecisabile a ridosso delle mura penultime, un tratto delle quali ancora si può vedere dietro l'abside, passò nel 1323 agli Agostiniani della vicinissima chiesa di S. Giacomo, i quali nel 1359 la fecero restaurare poiché minacciava la rovina.

Fra il 1481 ed il 1483, per portare l'oratorio a livello del nuovo portico esterno che era stato appena terminato, Gaspare Nadi ne sopraelevò il pavimento e costruì la grande volta a botte con unghiature, che ancora oggi si può vedere.

Fra il 1505 ed il 1507 poi, Giovanni II Bentivoglio la fece ornare con quella teoria di affreschi narranti le storie di S. Cecilia (protettrice dei musicisti) e S. Valeriano, che costituiscono uno dei massimi capolavori della pittura del Rinascimento a Bologna.

La chiesa fu soppressa come parrocchia nel 1806, ed il suo territorio fu diviso tra le parrocchie limitrofe.