In origine era un piccolo oratorio dedicato da s. Bartolomeo ai martiri Adriano e Natalia in ricordo del primo monastero fondato da s. Nilo; venne ampliato nel 1131 per ospitare degnamente sotto l’altare le spoglie dei due Santi fondatori. E’ chiamata anche Cappella Farnesiana per l’intervento del cardinale Farnese, che nel 1609 commissionò al pittore Domenico Zampieri, detto il Domenichino, gli affreschi alle pareti, ed al celebre Annibale Carracci il quadro della Madonna col Bambino tra i due santi fondatori, posto sull’altare.

Nella parete destra del presbiterio, il Domenichino rappresenta la Vergine che offre ai Santi fondatori un pomo d’oro, simbolo di amore costante; nell’affresco a sinistra s. Nilo, che guarisce un fanciullo ossesso, rappresentazione fortemente drammatica ed espressiva, con evidenti richiami alla ‘Trasfigurazione’ di Raffaello.

Nella parete destra della navata sono rappresentati episodi della edificazione della chiesa: s. Bartolomeo che esamina il progetto della costruzione presentato dall’architetto, nel quale è ritratto Annibale Carracci, e sullo sfondo l’episodio miracoloso del santo mentre arresta una colonna che  avendo strappato le funi di sollevamento, era in procinto di investire un monaco.

A sinistra della navata, la scenografica rappresentazione dell’incontro di s. Nilo con l’imperatore Ottone III di Germania, presso Sèrperi (Gaeta); il Domenichino esegue ritratti di contemporanei nelle vesti degli antichi personaggi.

Altri affreschi rappresentano s. Nilo in preghiera, s. Bartolomeo che scongiura una tempesta, ritratti dei martiri Adriano e Natalia e di Padri della Chiesa, e l’Annunciazione.