Die Informationen über die Basilika sind bis 1605 recht unklar. In diesem Jahr fingen die Recherchen an, um die Überreste des heiligen Valentin zu finden. Die Ausgrabungen wurden unter dem Pontifikat von Papst Paul V. im Zuge des wieder entfachten Interesses für die ersten Märtyrer der Kirche genehmigt, mit dem Ziel, ihre Existenz zu beweisen und ihre Verehrung zu bestärken. Der zunehmende Verfall der Basilika und die wachsende Verehrung für Valentin führten zu einer Umbettung der Reliquien des Heiligen in die Kathedrale und zur Beschleunigung des Wiederaufbaus der Kirche, die im Jahr 1606 begann. Es wurde ein Gebäude mit einem einzigen Kirchenschiff erbaut, das heute den Altar mit den Überresten des heiligen Valentin beherbergt, die 1618 hierher verlegt wurden.
Die Stuckstatuen in der Fassade aus dem 17. Jh. wurden während der Restaurierungsarbeiten in der Mitte des 19. Jh. angebracht.

Über die Gewohnheit des Heiligen, die Verbindungen zwischen jungen Leuten zu fördern, sind viele Legenden bekannt. Die Legende von Sabino und Serapia erzählt von der auf Erden verhinderten Verbindung zwischen einem Heiden und einer Christin, die von Valentin für alle Ewigkeit in einem beseligenden Schlaf vereint wurden. Die Legende der Rose der Versöhnung, die der Heilige einem streitenden Pärchen überreichte, und sie so wieder versöhnte, scheint der Beginn der Feierlichkeiten des 14. Februars gewesen zu sein, an dem das Fest der Verliebten gefeiert wird, seitdem die sterblichen Überreste des Heiligen in der Basilika in Terni wiedergefunden wurden.