Базилика была заложена в 527 году равеннским епископом Экклезием после его возвращения из Византии, где он вместе с папой Иоанном I выполнял дипломатическую миссию по поручению Теодориха Великого[1]. Храм был освящён в честь раннехристианского мученика святого Виталия Миланского, чьё изображение помещено в конхе апсиды.[2] Строительство велось на средства греческого ростовщика Юлиана Аргентария (Серебряника), который финансировал также строительство базилики Сант-Аполлинаре-ин-Классе. Освящение совершил 19 апреля 548 года епископ Максимиан.[3] Всё внутреннее мозаичное убранство церкви было создано одновременно в 546—547 годах; различия в стиле академик В. Н. Лазарев объясняет участием в работе разных мастеров.[4]

В XIII веке к южной стене церкви пристроена колокольня и реконструированы деревянные перекрытия аркад. Масштабная реконструкция храма проводилась в XVI веке: ввиду подъёма грунтовых вод был повышен на 80 см уровень пола, обновлён пресбитерий, убраны деревянные хоры, перестроены внутренний дворик (1562 год) и южный портал здания. В 1688 году землетрясением была разрушена колокольня XIII века, восстановленная в 1696—1698 годах.[5]

В 1780 году купол ротонды и подкупольные ниши, не имевшие при строительстве церкви каких-либо украшений, были расписаны фресками работы болонцев Бароцци и Гандольфи и венецианца Гуараны (итал. Jacopo Guarana).