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. Храм был освящён в честь раннехристианского мученика святого Виталия Миланского, чьё изображение помещено в конхе апсиды. 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. Все внутреннее мозаичное убранство церкви было создано одновременно в 546 — 547 годы; различия в стиле академик В. Н. Лазарев объясняет участием в работе разных мастеров.
В XIII веке к южной стене церкви пристроена колокольня и реконструированы деревянные перекрытия аркад. Масштабная реконструкция храма была проведена в XVI веке: в целях борьбы с поднятием грунтовых вод был поднят на 80 см уровень пола, обновлён пресбитерий, убраны деревянные хоры и перестроены внутренний дворик (1562 год) и южный портал здания. В 1688 году землетрясением была разрушена колокольня XIII века, восстановленная в 1696 — 1698 годы.
В 1780 году купол ротонды и подкупольные ниши, лишённые при строительстве церкви каких-либо украшений, были расписаны фресками работы болонцев Бароцци и Гандольфи и венецианца Гвараны (итал. Jacopo Guarana).
В XIII веке к южной стене церкви пристроена колокольня и реконструированы деревянные перекрытия аркад. Масштабная реконструкция храма была проведена в XVI веке: в целях борьбы с поднятием грунтовых вод был поднят на 80 см уровень пола, обновлён пресбитерий, убраны деревянные хоры и перестроены внутренний дворик (1562 год) и южный портал здания. В 1688 году землетрясением была разрушена колокольня XIII века, восстановленная в 1696 — 1698 годы.
В 1780 году купол ротонды и подкупольные ниши, лишённые при строительстве церкви каких-либо украшений, были расписаны фресками работы болонцев Бароцци и Гандольфи и венецианца Гвараны (итал. Jacopo Guarana).