I padri Agostiniani posero la prima pietra per la costruzione della chiesa nel 1267. Terminati i lavori nel 1315, fu riadattata nel XV secolo da Pietro da Brensa. Tra il 1319 e il 1336 fu aperta all'interno del complesso agostiniano anche la "Cappella di Santa Cecilia", affrescata su committenza dei Bentivoglio, con le Storie di Santa Cecilia eseguite da artisti del calibro di Francesco Francia, Lorenzo Costa, Cesare Tamarocci, Gian Maria Chiodarolo  e Amico Aspertini, che sono tra i più celebri pittori vissuti a Bologna tra i secoli XV e XVI.  L’annesso convento - sin dalle sue origini - assunse il ruolo di importante centro di cultura e fu lungo i secoli uno dei più celebri Studi Generali dell’Ordine.
Nel tempo, l’intero complesso subì diverse modifiche. Nel 1471 fu innalzato il campanile. Tra il 1477 e il 1481 venne costruito il portico, considerato una delle massime opere del rinascimento bolognese. Alla fine del Quattrocento, l’interno fu rifatto in stile rinascimentale per essere poi rimaneggiato nel Settecento.