Au début c'était une petite chapelle dédiée aux saints martyrs Adrien et Natalie. En 1131 elle fut agrandie et dédiée aux Saints Nil et Barthélemy dont elle conservait les reliques. En 1610 le cardinal Odoard Farnèse la fit décorer et orner de fresques par le Domenichino.

Quatre colonnes sombres de marbre africain délimitent le choeur. Sur l'autel, un tabernacle grandiose en bronze, primitivement placé sur l'autel majeur. Le plafond est à caissons bleus avec ornementations d'or et décoré des armoiries fleurdelisés des Farnèse.

Au fond, à gauche, St. Nil prie le Crucifix de le libérer d'une tentation et le Christ élève la main pour le bénir. C'est la fresque qui reflète le plus l'âme contemplative du saint qui passait en prière tant d'heures du jour et de la nuit.

Au centre, la rencontre de St. Nil avec l'empereur Othon III, près de Gaète. C'est alors qu'Othon dit à Nil: «Demande moi tout ce que tu veux et je te le donnerai». Et le saint de répondre: «Je ne te demande que ton âme, parce que toi aussi tu devras mourir et rendre compte à Dieu».

Notons ici de nombreux portraits: l'empereur est le cardinal Farnèse, celui qui tient les rênes du cheval est l'autoportrait du Domenichino, celui qui est près de lui, avec le coude sur le cheval, est Guido Reni, puis le Guercino de profil avec sa lance.

A gauche de l'autel, la guérison d'un garçon possédé, obtenue par les prières de St. Nil.

Sur l'autel une toile d'Annibal Carracci, la Vierge entre les deux fondateur.

Sur le mur de droite, l'apparition de la Vierge aux deux saints. Puis, au centre, La construction de l'église avec St. Barthélemy qui prend connaissance du projet avec l'architecte.

En arrière plan, l'interprétation artistique du Domenichino relative au «miracle de la colonne». Durant les travaux, pendant qu'on roulait une colonne sur une pente, les cordes de chanvre qui la tiraient se rompirent et la colonne allait s'abattre sur un moine. St Barthélémy par sa prière, l'arrêta.

Au fond, à gauche, St. Barthélemy arrête un orage épouvantable qui allait détruire toutes les récoltes. Les paysans désespérés se mettaient déjà à blasphémer. Le Saint, plein de compréhension pour leurs problèmes, prie et le temps redevient serein. C'est un peu le symbole de la charité concrète du Saint envers ses frères. Ce fut lui qui distribua aux paysans les terres de Grottaferrata données par le comte de Tusculum.