Le mode de construction des murs, en opus vittatum et opus latericium, a mené à dater le bâtiment du IV siècle : peut-être appartenait-il initialement à l'une des riches domus du quartier et n'aurait été transformé en église que par la suite. Certains ont identifié la domus à celle donnée par l'empereur Septime Sévère, au début du III siècle, à son ami Fabio Cilone, deux fois consul et préfet de Rome.
C'est l'un des premiers titulus, apparu lors de l'organisation ecclésiastique primitive de la cité romaine, qui est attaché à Sainte-Balbine : le témoignage le plus ancien remonte au synode de 595. Il se pourrait qu'il soit identique à celui désigné sous le nom de titulus Tigridae en 499.
L'église, actuellement simple lieu de culte sans paroisse, annexe de la basilique Saint-Pierre de Rome, jouxte un ancien couvent fortifié, transformé en hospice en 1884, dédié à sainte Dorothée.
L'édifice a été restauré plusieurs fois : au VIII siècle ; puis en 1489 par Marco Barbo, neveu de Paul II. Elle fut saccagée au XVII siècle : les offices reprirent en 1699, et elle fut à nouveau rénovée en 1813, 1825, et enfin par Antonio Muñoz en 1927-1930 ; un peu plus tard furent posés au sol des mosaïques provenant de la nécropole fouillée en 1939 lors de l'ouverture de la via dei Fori imperiali.
La façade actuelle fut élevée au XVI siècle, par ordre de Sixte-Quint, en substituant des pilastres aux colonnes primitives. L'abside, dont les mosaïques s'étaient détachées au XII siècle, fut décorée de fresques en 1599.
Aux alentours de l'église se trouvent des restes de la muraille servienne.
