Le origini della chiesa risalgono al IX fondata, secondo la tradizione popolare, dal re Pipino di Francia. Le sue forme attuale si devono alla ricostruzione operata nel 1651. L’architetto Cristoforo Rangoni, detto Il Ficarello, disegnò una pianta a croce latina e unica navata, con dieci cappelle, e una cupola che rimanda ai modelli del Vignola.
La facciata barocca è su due ordini, è opera di Felice Pascetti. Le sei statue nelle nicchie sono dello scultore Pietro Sbravati e rappresentano, in alto, San Vitale e Santa Valeria; nel piano inferiore, nel nicchie laterali San Gervasio e San Protasio, mentre in quelle centrali San Gregorio Magno e Sant’Ambrogio.
L’interno presenta una ricca decorazione di stucchi. Nel presbiterio, gli affreschi sono di Antonio Betti (1760), mentre i riquadri con le Storie di San Vitale di Giuseppe Peroni (1763). La parete del transetto sinistra ospita il grandioso Monumento Beccaria, che sormonta l’altare della Beata Vergine di Costantinopoli. Nell’urna sotto l’altare, infine, si trova il corpo di San Vitale, quivi portato da Gherardo III Sissa nel 1643.
Per concludere, la chiesa ospita molti dipinti di artisti ottocenteschi, tra cui il San Gregorio di Giovanni Tibaldi e l’Assunta di Giovanni Gaibazzi.