Addossata alla basilica, con accesso comune sullo stesso portico, si trova l’Oratorio di Santa Cecilia, altro capolavoro del rinascimento bolognese. Commissionata da Giovanni II Bentivoglio a Francesco Raibolini detto Il Francia, fu realizzata tra il 1505 e il 1506, e vide la partecipazione di molti collaboratori, tra i quali Amico Aspertini e Lorenzo Costa, e vi vede dipinte le Storie dei Santi Vitaliano e Cecilia.
L’intera cappella è un eccellente compendio di quello stile cortigiano e internazionale diffuso in Italia nel periodo, sulla scia dei successi ottenuti nelle corti italiane da artisti quali Perugino e Pinturicchio. La dolcezza del disegno, la purezza delle espressioni, la ricchezza delle vesti dei protagonisti e di tutto il loro abbondante seguito, sono gli elementi più importanti dell’intera composizione.
Nell’oratorio vi si svolgono piccoli concerti da camera.