Il complesso di Santa Reparata sorse nel V secolo su un'area di insediamento romano. Attorno al VI secolo il complesso assunse una funzione cimiteriale ma nell'VIII secolo la chiesa era di nuovo funzionante. Nel IX secolo venne aperta una cripta dove furono deposte le reliquie di San Pantaleone, rinvenute nel 1714. Tra la fine del X e gli inizi dell'XI secolo furono eseguiti nuovi interventi. Le tracce di queste vicende sono oggi leggibili nel percorso archeologico sotto il piano dell'attuale basilica, che nel XII secolo si sostituì al vecchio impianto.

A partire dalla fine del Cinquecento iniziò il riassetto che proseguì per tutto il primo ventennio del secolo successivo. Tra i risultati più appariscenti vi è la nuova facciata che riutilizza peraltro per buona parte quella medievale. All'interno, alla stessa fase è da ascrivere il soffitto a cassettoni e la decorazione del catino absidale, dove Paolo Guidotti affrescò un'Annunciazione con l'Eterno e angeli.

L'edificio è stato aperto come museo per consentire la visita delle stratificazioni storiche, con resti di diversi edifici che vanno I secolo a.C. al XII secolo d.C., riportati alla luce da una campagna di scavo iniziata nel 1969. Si segnalano i resti di una domus romana del I secolo a.C., di terme del I-II secolo d.C, della chiesa e del battistero paleocristiani, di sepolture di epoca longobarda, di resti del battistero altomedievale e della cripta carolingia, oltre al fonte battesimale decorato da tarsie di marmi colorati.