Jak czytamy w Liber Pontificalis, kościół powstał w drugiej połowie V wieku, za papieża Symplicjusza, i poświęcony był świętej Bibianie. Zbudowano go na fundamentach domniemanego domostwa męczenniczki, o której źródła historyczne wprawdzie milczały, ale legendy opowiadały barwnie. Według jednej z nich właśnie w tym miejscu miała zostać pochowana zarówno ona, jak i jej matka i siostra. Cała trójka poniosła śmierć w okresie panowania Juliana Apostaty – cesarza, który na nowo (acz na krótko) przywrócił w cesarstwie religię przodków, zwalczając chrześcijaństwo, mające już wówczas status religii państwowej. A co mówią odkrycia archeologiczne? Znajdujący się pod dzisiejszym kościołem budynek mieszkalny pochodzi z IV wieku. Przypuszcza się, że znajdować się tu mógł jeden z typowych dla wczesnego chrześcijaństwa tituli, ale nie ma na to dowodów.

Kolejne wzmianki o świątyni pochodzą z roku 1224, kiedy to papież Honoriusz III nakazał ją odrestaurować. On również stworzył zabudowania klasztorne dla związanych z kościołem sióstr benedyktynek. Klasztor został rozwiązany (ze względu na złe prowadzenie się mniszek i podejrzenie o praktykowanie czarnej magii) w pierwszej połowie XV wieku, ale jego zabudowania przetrwały aż do zaplanowanej z wielkim rozmachem modernizacji kompleksu w czasach papieża Urbana VIII. Wtedy to kościół, przez stulecia popadający w ruinę, został gruntownie przebudowany, a budynki klasztorne zniszczone. Papież, świadom  obowiązków narzuconych mu przez synod w Trydencie, a była wśród nich również opieka nad upadającymi kościołami, pochylił się nad tym zupełnie zapomnianym zakątkiem, w którym cudownym zrządzeniem losu odkryto szczątki św. Bibiany. Urbana VIII skłoniły do tego także inne względy. W związku z Rokiem Jubileuszowym (1625) pragnął on odnowić Rzym i nadać mu ponownie znaczenie, a to objawiać się miało w realizacji szeroko zakrojonych projektów architektonicznych i artystycznych. Zatrudnił w tym celu młodego, acz obiecującego artystę – Gian Lorenza Berniniego, powierzając mu stworzenie nowej fasady, odnowienie wnętrza i wykonanie rzeźby świętej patronki. Bernini do tej pory znany był jako dobrze rokujący rzeźbiarz i fasada ta była jego pierwszym dziełem architektonicznym. Warto poświęcić jej kilka słów, gdyż wprowadza nowy typ artykulacji, znany bardziej z elewacji pałacowych niż kościelnych. Ma ona formę portyku składającego się z dwóch partii o tej samej szerokości, które dekorują nakładające się na siebie pilastry. Dolna część zaopatrzona jest w arkady, górna natomiast w okna (to środkowe z balkonem), które w centralnej części wieńczy tympanon, po bokach flankowany formą balustrady.

Z tego to balkonu corocznie 2 grudnia zebranemu wokół kościoła tłumowi wiernych pokazywano relikwiarz z relikwiami świętej Bibiany.  

Ale nie tylko Bernini miał szczęście uczestniczyć w powstaniu świątyni. Na nowo rozplanowane przez niego wnętrze, które z założenia miało przypominać to wczesnochrześcijańskie, zachowało układ trzech naw. Dodano jednak szeroką absydę i flankujące ją po obu stronach kaplice. Nad dzielącymi przestrzeń kościoła kolumnami, zachowanymi jeszcze z czasów antycznych, pojawiły się jednak wspaniałe malowidła dwóch znanych malarzy – jednym z nich był młody, dopiero rozpoczynający karierę Pietro da Cortona, drugim, znany w mieście, przybyły z Florencji – Agostino Ciampelli. Przypatrzmy się ich dziełom bliżej, gdyż są wspaniałym przykładem rodzącej się dopiero, pod auspicjami rodu Barberinich, sztuki barokowej – pełnej życia, dekoracyjnej i bogatej w ozdobne detale. Zobaczymy tam więc przejmujące sceny rodzajowe, odziane w historyczne kostiumy postacie ujęte w różnorodnych gestach, ale też liczne ornamenty – girlandy z kwiatów i owoców, iluzjonistyczne ramy i nisze czy wreszcie wszechobecny herb papieża Urbana VIII (trzy pszczoły). I to właśnie te „ozdobniki” odciągają wzrok od drastycznych scen z życia Bibiany i tworzą rodzaj bogatej, pełnej elegancji i rozmachu scenografii. Wierni zatem nie tylko uczestniczą w męczeństwie świętej, ale zanurzają się w bogactwie epickiej, barwnej opowieści. Po lewej stronie widzimy freski da Cortony ukazujące trzy sceny z życia Bibiany (śmierć św. Demetrii u stóp ciemiężcy Apronyana, próba przekonania Bibiany przez Rufinę do odstępstwa od wiary i biczowanie Bibiany), ale też znajdujące się w dekoracyjnych obramieniach postacie Flawiana (ojca Bibiany) i wspomnianą Demetrię (siostrę Bibiany). Freski Ciampellego znajdują się po przeciwnej stronie. Przedstawiają porzucenie ciała Bibiany na pożarcie psom, pogrzeb Bibiany i wreszcie erekcję poświęconego jej kościoła. W kartuszach ujrzymy natomiast Dafrozę (matkę Bibiany) i Olimpinę (krewną i domniemaną fundatorkę kościoła). Całość wieńczył ongiś umieszczony na stropie wspaniały fresk Ciampellego ukazujący apoteozę św. Bibiany pośród towarzyszących jej świętych. Zniknął zapewne na skutek zawalenia się sufitu, ale nie wiemy nawet kiedy. Gdy przeniesiemy wzrok i spojrzymy na nisze po obydwu stronach łuku oddzielającego partię ołtarza od nawy głównej, dojrzymy ponownie obie siostry z atrybutami dziewictwa i męczeństwa (lilia i palma). Ciampelli jest też autorem znajdujących się po obu stronach głównego wejścia dekoracyjnych girland stworzonych z narzędzi tortur, które przypominają o cierpieniu patronki kościoła. Dwa flankujące wejście anioły z lutnią i harfą dopowiadają scenę, nadając męczeństwu znamiona niebiańskiego wyniesienia. We wszystkich tych dekoracjach Ciampelli, który dał się już poznać w Rzymie jako zdolny przedstawiciel późnego manieryzmu, autor fresków w takich kościołach jak Santa Prasseda, San Giovanni dei Fiorentini, Il Gesù czy San Vitale, wydaje się iść krok dalej, uczestnicząc w tworzeniu rodzącego się nowego stylu.

Tuż przy wejściu, po prawej stronie, dojrzymy też fragment marmurowej kolumny, według legendy będącej pozostałością tej, do której przywiązano Bibianę, by zachłostać ją na śmierć. Do dziś stanowi obiekt kultu. Jej ozdrowieńcze właściwości pobudzały wyobraźnię wiernych do tego stopnia, że musiała zostać zabezpieczona kratą ze złoconego brązu (według rysunku Berniniego), gdyż ścierano z niej pył, uznając go za cudowny, ozdrowieńczy eliksir.

Wymienione freski korespondują ze znajdującą się w absydzie kościoła figurą samej męczenniczki, wykonaną przez Berniniego (Posąg św.Bibiany Berniniego). Była to pierwsza praca młodego rzeźbiarza poświęcona świętej, a w dodatku kobiecie w pełni odzianej, którą ukazał, co ciekawe, nie w chwili męczeństwa, ale błogostanu (wniebowzięcia). Wpadające przez tylne okno światło dodatkowo uwzniośla jej postać i podkreśla nadnaturalną cudowność dokonującą się na naszych oczach. W ustawionej u jej stóp alabastrowej urnie dojrzymy natomiast relikwie Bibiany, jak również Dafrozy i Demetrii.

W kościele znajduje się kilka wmurowanych epitafiów z XIV i XV wieku upamiętniających mniszki byłego klasztoru, jak również szereg kaplic. Najbardziej interesujące są te ulokowane po obu stronach absydy. W jednej, poświęconej Dafrozie, zobaczymy obraz uwieczniający matkę Bibiany, namalowany przez Pietra da Cortonę, w drugiej natomiast wdzięczny wizerunek Demetrii w otoczeniu dwóch aniołków niosących jej koronę oraz palmę i gałązkę oliwną, dzieło Agosta Ciampellego. Na wzmiankę zasługuje też kaplica rodu Petroni, w której widnieje barokowy obraz Girolama Troppy (ucznia da Cortony), przedstawiający świętych (Flawiana, Faustusa i prezbitera Jana) adorujących obraz Madonny z Dzieciątkiem.

Dziś patrząc na ten piękny kościółek, trudno sobie wyobrazić, że w czasach Berniniego teren ten pozbawiony był zabudowań i zajmowała go winnica. Sytuacja radykalnie się zmieniła w latach sześćdziesiątych XIX wieku, gdy powstała tu – z inicjatywy papieża Piusa IX – pierwsza w Rzymie stacja kolejowa. Doprowadziła ona też do zniszczenia powstałej w międzyczasie siatki ulic. Kolejne modernizacje miasta oznaczały dla kościoła dramatyczne odizolowanie. Nie jest on jednak opustoszały. Codziennie spotykają się tu ze swym plebanem okoliczni mieszkańcy na wspólne modlitwy i śpiewy.