Questa chiesa, dalla tipica facciata a salienti, è la più antica del complesso, già presente con ogni probabilità alla fine del IV secolo. Dedicata ai protomartiri Vitale e Agricola, condannati durante le persecuzioni di Domiziano, la chiesa ha la particolarità di avere l’altare attaccato alla parete dell’abside, secondo la liturgia tradizionale in cui il celebrante si rivolge verso est (o, nei rari casi in cui la chiesa ha un orientamento diverso, verso l’abside), dando le spalle ai fedeli.
Nella chiesa avvenne un caso curioso agli inizi del Quattrocento. A causa del ritrovamento di un sepolcro antico di un tal Symon, si diffuse la credenza che essa fosse la tomba di Simon Pietro, ovvero San Pietro, generando un gran flusso di pellegrini verso la basilica. L’allora Papa, Eugenio IV, anche per evitare ulteriori lacerazioni in una Chiesa ancora debole dopo la fine del papato avignonese pochi anni prima, decise di intervenire con decisione, facendo scoperchiare la chiesa e riempendola di terra. La situazione si protrasse per 70 anni, quando il potente cardinale Giuliano Della Rovere riuscì a farla riabilitare e restaurare. Su una porta laterale, vi è ancora un’iscrizione che ricorda l’evento.