Del primitivo impianto paleocristiano non sembrano conservarsi tracce archeologiche.
Sotto l'attuale chiesa settecentesca sono presenti, ad ogni modo, alcuni resti di una domus romana, sfruttata in parte per la costruzione dell'antico titulus.
Le strutture, il cui stile indica una datazione di fine II secolo, si trovano a sud del transetto e dietro l'abside medievale. Si tratta di un muro in opera laterizia (lunghezza circa 20 m) che corre parallelamente a via Carlo Alberto, alla cui estremità sud-orientale si trovano due vani appartenenti ad un altro comparto dell'abitazione, i quali presentano interventi effettuati tra tardo antico e Alto Medioevo. La fase di IV-V secolo è attribuita da Krautheimer[30] al momento in cui, in accordo con la testimonianza delle fonti[31], potrebbe essersi insediato nella domus il primo luogo di culto cristiano, successivamente azzerato per costruire la chiesa medievale. Mancano prove archeologiche puntuali.

Presso la chiesa fu riportato alla luce sul finire del XIX secolo uno dei nuclei di tombe più consistenti della necropoli dell'Esquilino; si ha notizia, inoltre, della presenza di sepolture arcaiche (in sarcofago o arca) anche nei sotterranei dell'edificio, il quale insiste su cave di tufo (latomiae) di incerta datazione[33]. Nel 1873 furono trovati presso la chiesa due cippi di confine (terminatio) in situ menzionanti gli Horti Tauriani ed i Calyclani, a nord di via Principe Amedeo.

Francesco de' Ficoroni riferisce che nel 1699 il duca d'Uzedo, ambasciatore di Spagna a Roma, fece un grande scavo non lontano dalla chiesa (davanti ai "Trofei di Mario"), in cui trovò una piccola cappella con immagine ora perduta.

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