Sant'Agnese è una martire romana molto famosa e venerata: ci sono buoni elementi per credere che sia stata martire al tempo di Decio o Valeriano, anche se alcuni la considerano una vittima della persecuzione di Diocleziano.
Morì quando aveva solo 12 anni: Papa Damaso fa riferimento a un rogo in cui la santa si sarebbe gettata. Dopo il suo martirio, il corpo della piccola Agnese fu collocato in un ipogeo di proprietà della sua famiglia, sulla sinistra della via Nomentana, dove esisteva già una necropoli di superficie con tombe singole e mausolei.
Da questo ipogeo originario, con l'inserimento della tomba venerata, si svilupperà presto nel sottosuolo una vasta rete di catacombe comunitarie.
Oggetto di particolare attenzione fu la tomba di Agnese che all'epoca di Papa Liberio era decorata con lastre di marmo: una di queste lastre è probabilmente quella attualmente esposta nello scalone d'ingresso della basilica onoraria e che rappresenta una fanciulla in atteggiamento di preghiera tra due pannelli con motivo geometrico.
Papa Damasusalso intervenne sulla tomba di Agnese: l'iscrizione che dedicò alla martire è ora affissa nella 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 della martire, forse in una proprietà imperiale, fu costruita una basilica a forma di circo romano con un atrio per volere di Costantino (o Costanza), figlia dell'imperatore Costantino e grande devota di Agnese.
Onorio I innalzò l'attuale basilica sulla via Nomentana che è semisotterranea, raggiungibile dalla maestosa scalinata; l'interno, preceduto da un nartece, è a tre navate, sopra le quali corre una galleria femminile.
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.