Costruita nel tardo III secolo - inizio del IV secolo, fu chiamata così, secondo l'archeologo Andrea Carandini, dal nome di una sorella dell'imperatore Costantino I, Anastasia. Sorge su preesistenti tabernae che erano inserite nella recinzione esterna del Circo Massimo, e costruzioni private che sorgevano lungo una strada alle pendici sudoccidentali del Palatino. Negli atti del sinodo del 499 la chiesa è registrata come avente il titulus Anastasiae. In seguito la chiesa fu dedicata a sant'Anastasia di Sirmio.

La chiesa fu restaurata diverse volte: da papa Damaso I (366-383), papa Ilario (461-468), papa Giovanni VII (705-707), papa Leone III (795-816), e papa Gregorio IV (827-844). La chiesa moderna deve le sue forme a papa Urbano VIII Barberini, che ne ordinò il restauro nel 1636. Ulteriori restauri furono ordinati nell''800 da papa Pio VII e papa Pio IX.

La chiesa è collegata dalla tradizione alla predicazione di san Geremia, che pare abbia celebrato messa qui e che è raffigurato in una tela del Domenichino, posta sopra l'altare.