Un'antica tradizione, non documentata, vuole che la chiesa sia stata costruita nel 363 dalla matrona romana Olimpina (o Olimpia) sulla casa dove avrebbero subito il martirio, durante la presunta persecuzione dell'imperatore Giuliano (361-363), Bibiana martire assieme alla madre Dafrosa e alla sorella Demetria, mentre il padre Flaviano sarebbe stato esiliato e martirizzato ad Aquas Taurinas (forse l'attuale Montefiascone). La chiesa sorgeva nell'area degli Horti Liciniani, poco distante dal ninfeo comunemente noto come tempio di Minerva Medica. Nei pressi della chiesa sorgeva un antico cimitero, detto dalle fonti ad ursum pileatum.

L'interno dell'edificio è a tre navate suddiviso da colonne di spoglio. Nei pressi dell'ingresso è una colonna in marmo rosso, che la tradizione attesta sia quella su cui Bibiana subì il supplizio della flagellazione con corde piombate. Essa è protetta da una grata in bronzo dorato, eseguita su disegno del Bernini.

Lungo le pareti delle navate sono inserite diverse tombe delle badesse dell'antico convento. Su ciascuna navata si apre una cappella. Quella della navata di sinistra fu realizzata alla fine del Seicento da Vincenzo Pacetti: all'altare una pala di Giacomo Verona con Santa Geltrude in estasi; sulla parete di destra la tomba dello stesso Pacetti. La cappella della navata di destra fu eretta nel 1702 per la famiglia Petroni, il cui stemma è al centro dell'arco di ingresso; la pala dell'altare raffigura Santi in venerazione dell'immagine della Madonna col Bambino; sulle pareti laterali due dipinti, in cui sono raffigurati diversi santi e le effigi di due re, Leopoldo I d’Austria e Carlo II di Spagna; tutte le opere di questa cappella sono attribuite a Girolamo Stroppa (1637-1705), discepolo di Pietro da Cortona.

Le navate laterali terminano con due cappelle, opera, come detto, del Bernini. Esse sono dedicate a santa Dafrosa e a santa Demetria, rappresentate da due tele, opera rispettivamente di Pietro da Cortona e Agostino Ciampelli (1577-1642).

Le pareti della navata centrale, su cui un tempo si aprivano le finestre poi chiuse dal Bernini, sono interamente ricoperte da dipinti. Il ciclo pittorico della parete sinistra è di Pietro da Cortona, mentre quello sulla parete destra è di Agostino Ciampelli. Entrambi illustrano episodi della vita di santa Bibiana e furono fatti eseguire da papa Urbano VIII in concomitanza con il rifacimento della chiesa, come ricorda una grande iscrizione posta nella controfacciata.

La navata centrale termina con l'altare maggiore. Al di sotto di questi è collocata un'antica vasca romana di alabastro, rinvenuta durante i lavori del 1624; in essa sono conservate le reliquie delle sante Bibiana, Demetria e Dafrosa. Al di sopra dell'altare, invece, è collocata dentro una nicchia la scultura del Bernini (1626) che raffigura la santa appoggiata alla colonna del supplizio e reggente la palma, simbolo del martirio.