Sant'Agnese è una martire romana molto famosa e venerata: ci sono buoni elementi per ritenere che sia stata martire al tempo di Decio o Valeriano, anche se alcuni la considerano vittima della persecuzione di Diocleziano.
Morì quando aveva solo 12 anni: papa Damaso fa riferimento a un palo in cui la santa si sarebbe gettata. Dopo il suo martirio, il corpo della piccola Agnese fu deposto in un ipogeo di proprietà della sua famiglia, a sinistra della via Nomentana, dove esisteva già una necropoli di superficie con tombe individuali e mausolei.
Da questo ipogeo originario, con l'inserimento della venerata tomba, si svilupperà presto nel sottosuolo una vasta rete di catacombe comunitarie.
Oggetto di particolare attenzione fu la tomba di Agnese che al tempo di papa Liberio era decorata con lastre marmoree: una di queste lastre è probabilmente quella attualmente esposta nello scalone d'ingresso della basilica onoraria e che rappresenta una fanciulla in atteggiamento orante tra due pannelli con motivo geometrico.
Sulla tomba di Agnese intervenne anche papa Damaso: l'epigrafe da lui dedicata alla martire è ora affissa sulla scalinata.
La profonda devozione che i Romani nutrirono nei secoli per la giovane martire contribuì ad abbellire il suo santuario con una serie di edifici in superficie.
A poca distanza dalla venerata sepoltura del martire, forse in una proprietà imperiale, fu edificata per volere di Costantino (o Costanza), figlia dell'imperatore Costantino e grande devota di Costantino (o Costanza), una basilica a forma di circo romano con atrio. Agnese.
Onorio I elevò l'attuale basilica sulla via Nomentana che è semi-interrata, raggiungibile dalla maestosa scalinata; l'interno, preceduto da un nartece, è a tre navate, sopra le quali corre un matroneo.
Il mosaico dell'abside è una splendida testimonianza dell'arte musiva romana altomedievale: rappresenta Agnese tra papa Onorio, che porta in mano un modello della chiesa, e, probabilmente, papa Simmaco.