Documentata fin dal 1080, la chiesa suburbana di San Vitale fu edificata fuori dalla prima cerchia fortificata, lungo la via consolare Cassia. In età altomedievale, quindi, arrivò a Pistoia il culto di San Vitale, miles consularis, probabilmente pervenuto da Ravenna, città dove questo santo era particolarmente venerato, tanto che nel 547 gli venne intitolata una grande basilica, ancora oggi esistente, in cui si celebravano anche i suoi familiari: la moglie, Santa Valeria, i figli, Santi Gervasio e Protasio, oltre all'amico, San Ursicino. Nel XII secolo, con l'espansione urbana di Pistoia, la chiesa di San Vitale si trovò compresa entro la seconda cerchia muraria in prossimità della "porta lucensis". Nel 1334 divenne prioria e, dalla fine del XIII secolo, l'edificio, costruito "di pietra viva lavorata", risulta dotato di una canonica provvista di un chiostro, dove, secondo la tradizione locale venne ospitato San Francesco con i suoi frati minori. >Nel 1610 la Comunità civica, autorizzata dal Granduca, decise di demolire completamente l'antico complesso, in modo da ampliare e rettificare la "via di Porta Lucchese", attuale via della Madonna, allineando, sul nuovo tracciato stradale, una chiesa di dimensioni più ridotte rispetto alla precedente, ad aula unica, dotata di due ingressi. Alla metà del XVIII secolo il priore Domenico Tognelli decise di ristrutturare nuovamente tutto l'edificio, affidando il progetto ai muratori Carlo e Clemente Vannetti, che nel marzo del 1749 dettero inizio ai lavori. Il rinnovamento iniziò dalla canonica e proseguì nella chiesa, che venne sistemata "in perfetta quadratura e buon ordine", regolarizzando la planimetria dell'aula e consolidando i muri perimetrali per dare sostegno alla nuova copertura con volta a botte. Le operazioni di trasformazione si conclusero nel gennaio del 1757 con la collocazione di una piccola lapide commemorativa posta sopra la porta d'ingresso.