L'église de S. Rosa a été reconstruite en 1850 sur le site d'un temple préexistant appartenant aux religieuses Clarisses, à l'initiative de l'évêque de la ville de l'époque. Sur l'emplacement du bâtiment actuel, il y avait une petite église et un monastère, initialement nommé d'après Sainte Marie, dirigé par les Sœurs Pauvres de Sainte Damianite d'Assise (nom du premier ordre monastique féminin, également connu sous le nom de Damianite, appelé les Clarisses après la canonisation de Sainte Claire dans la cathédrale d'Anagni). Dans l'ancien complexe, dont on a des nouvelles depuis 1235, en 1258 le pape Alexandre IV (1254-1261) a déplacé le corps de S. Rosa (qui se trouvait déjà près de l'église voisine de S. Maria in Poggio, autrement connue comme l'église de la Crocetta), et vers le milieu du siècle suivant la nouvelle dédicace au saint est devenue le patron de Viterbe. Le temple primitif, détruit pour la première fois en 1350, a été admirablement fresqué par Benozzo Gozzoli au milieu du XVe siècle, avec la représentation d'épisodes de la vie de S. Rosa. Après la reconstruction et l'agrandissement radicaux de l'église, entrepris vers le milieu du XVIIe siècle, les chefs-d'œuvre ont été perdus : neuf copies aquarellées sont actuellement conservées au Musée civique de la ville ; deux dessins préparatoires réalisés par Gozzoli lui-même pour l'église des Clarisses, bien que n'ayant jamais été transférés en fresque, se trouvent au Britisch Museum de Londres et au Cabinet des estampes de Dresde. La reconstruction du bâtiment au milieu du XIXe siècle s'est inspirée des formes de l'église S. Maria delle Fortezze du XVIe siècle (aujourd'hui presque détruite), selon une combinaison de styles de la fin de la Renaissance et du néoclassicisme qui n'a cependant pas réussi à faire revivre l'ancienne spiritualité du lieu. A la structure, entièrement faite de pépérino, en 1913 l'architecte A. Foschini a ajouté le nouveau dôme, plus grand que le précédent, avec une suggestive couverture en majolique (plus tard cachée par des dalles de plomb).
Selon la légende, Sainte Rose a supplié avec passion d'être admise dans l'Ordre des Pauvres Claires, sans jamais y parvenir car elle était considérée comme une rebelle. Quelques années après sa mort, le pape Alexandre IV, après l'avoir eue plusieurs fois en rêve, a tenté de glorifier sa mémoire en déplaçant son corps près de l'endroit qui lui était si cher. Cet épisode est évoqué par la célébration du "transport" de la "voiture de S. Rosa", qui a lieu chaque année à Viterbe : un énorme bâtiment en papier mâché en forme de clocher est transporté à travers les rues de la ville, de l'église de S. Sisto au sanctuaire de S. Rosa, où, selon la tradition, les "porteurs" montent les escaliers. L'église de Viterbe est connue pour avoir à côté d'elle la maison où S. Rosa est né en 1233 et où il est mort en 1252, annexée au sanctuaire en 1661 sur ordre des religieuses.