La realizzazione di un ambiente sufficientemente ampio per il culto di S. Agnese in corrispondenza della sua tomba risale al IV secolo, all'epoca cioé della costruzione della grande basilica costantiniana che svolgeva la funzione di cimitero coperto.

I primi lavori di sistemazione di cui si hanno notizia risalgono a papa Liberio (352-366) che, secondo il liber Pontificalis decorò l'altare con lastre marmoree. Si trattava di plutei, due dei quali sono tuttora conservati e visibili al pubblico, in quanto murati in fondo allo scalone cinquecentesco di ingresso alla basilica.

Il maggiore dei due plutei è opera di uno scultore del IV secolo. Esso rappresenta una finta transenna, che reca al centro la figura di Agnese in sembianze di bambina orante, poiché martirizzata in giovanissima età, vestita di tunica manicata e di dalmatica. Nel tempo il pluteo è stato più volte spostato: prima dietro l'ambone del vangelo, poi capovolto, nello scalone, ed infine sulle sue pareti.

Ulteriori lavori furono eseguito da papa Damaso (366-384), grande cultore dei martiri romani, che restaurò anche questa tomba con costosi lavori, comprensivi di una bella iscrizione scolpita da Furio Dionisio Filocalo, recante il seguente carme:

Si racconta che i santi genitori (di Agnese) tempo fa riferirono come, quando la tromba emise i suoi lugubri suoni, subito ella, fanciulla com'era, si staccò dal seno della nutrice, e, sprezzando le minacce e la rabbia del crudele tiranno, offrì spontaneamente alle fiamme il suo nobile corpo: con deboli forze seppe vincere un'immane paura; e sulle nude membra lasciò cadere la chioma disciolta, perché volto mortale non vedesse il tempio del Signore.
O alma (Agnese), degna ch'io ti veneri, santo decoro del pudore, ti prego, o inclita Martire, sii propizia alle preci di Damaso!

(traduz. da Frutraz, 2001. Vedi anche l'immagine dell'iscrizione)

Nel V secolo il sacello fu restaurato nuovamente, e trasformato in una basilichetta, dotata di coro sul retro dell'altare.

Fu infine distrutto nel VII secolo, sotto papa Onorio I, per essere sostituito dalla basilica, tutt'oggi conservata ed utilizzata come luogo di culto.