Il complesso è situato ai piedi dei monti Parioli. Valentino muore durante la persecuzione di Claudio il Gotico (268-270) e le sue spoglie, secondo le fonti, furono deposte nel podere della matrona Sabina, al primo miglio della via Flaminia. L’area, già occupata da un cimitero pagano, ospiterà deposizioni cristiane legate alla venerazione del martire Valentino. Nel III secolo fu scavata, nel fianco della collina, una piccola catacomba articolata su due piani e nel IV secolo fu creata una cripta in seguito decorata con pitture: compaiono scene legate alla natività, la crocefissione e vari personaggi appartenenti alla storia della Chiesa. Non è chiaro se il corpo del martire fu inizialmente sepolto in catacomba per poi essere traslato nella basilica o se fu deposto all’esterno in un sarcofago, intorno al quale si formò l’area venerata, quadrangolare, recintata, con una piccola abside scavata nella roccia, poi inglobata nella basilica costruita da Papa Giulio I (337-352). Nel nuovo edificio, a tre navate, fu realizzata un’ampia abside semicircolare, addossata alla collina e sopraelevata, al presbiterio si accedeva con una o due scale di pochi gradini. L’area della memoria fu allargata. La basilica fu modificata ancora una volta con i lavori di Papa Onorio I (625-638), portati a termine da Teodoro I (642-649). Fu allora ulteriormente rialzato il presbiterio e creata una cripta: una sorta di corridoio rettilineo che, in corrispondenza dell'altare superiore, aveva una piccola esedra dalla quale i fedeli, attraverso una fenestella confessionis, potevano veder le reliquie del martire. La basilica cadde in progressivo abbandono dopo il XIII secolo, a seguito della traslazione delle reliquie del martire in S. Prassede.