La tradizione afferma che al tempo della Bononia romana l'arena dove si svolgevano gli spettacoli gladiatorii e dove avrebbero trovato la morte i martiri cristiani Vitale e Agricola fosse proprio dove oggi sorge questa chiesa. La chiesa alto-medioevale, costruita all'interno di un monastero benedettino, era orientata parallelamente alla via Salaria, che conduceva a Ravenna (oggi via San Vitale), e presentava tre navate.

La cappella di Santa Maria degli Angeli edificata sul finire del '400 da Gaspare Nadi, era in origine separata dalla chiesa di San Vitale e Agricola. Il portale della cappella su via San Vitale si ritiene essere opera di Andrea Marchesi detto il Formigine. All'interno della chiesa l'ingresso alla cappella è attraverso due archi nella navata. Nell'arco destro si trova una Sacra Famiglia, in cera dipinta, di Angelo Piò.

Sulla parete destra vi è la Fuga in Egitto, dipinto ad olio, di Alessandro Tiarini. L'altare, ornato da un'ancona lignea, presenta tre diverse opere: il frontale, al centro del quale si trova una copia della Madonna del Divino Amore (l'originale, opera di Sano di Pietro, fu rubato nel 1972), a sinistra la Visita della Vergine a santa Elisabetta di Bartolomeo Ramenghi e a destra la Nascita di Gesù attribuita a Giacomo Francia.