Secondo le più antiche fonti agiografiche, Venanzio era originario proprio di Camerino: sarebbe nato intorno al 235 nella città marchigiana, da una nobile famiglia locale, e qui martirizzato e venerato fin dal V secolo.

Le origini della chiesa di San Venanzio risalgono al tardo periodo romano, attorno al III secolo d.C. Nel Quattrocento il Maestro Polidoro di Stefano da Perugia insieme ai Maestri lombardi Alberto di Pietro e Baldassarre di Paolo ne guidarono la completa ricostruzione.
Nel 1558, durante i lavori di sistemazione del coro, fu ritrovata l’urna con le reliquie del santo: l’abside medievale venne demolita e, su disegno di Domenico Fontana, fu ampliata la cripta sotto il presbiterio.
Tra il 1673 e il 1677 venne realizzata la cupola emisferica per opera dell’architetto camerinese Bernardino Bianchini, poi riccamente decorata da preziosi affreschi.
Dopo il terremoto del 1799, l’architetto modenese Luigi Poletti ne seguì il consolidamento e il rifacimento ottocentesco, conferendole l’attuale elegante aspetto neoclassico.

Dopo il terremoto del 2016, la chiesa è stata riaperta al culto nel suo splendido stato grazie all’intervento di recupero della Fondazione Arvedi Buschini di Cremona.

Tra le meraviglie visibili spiccano il portale (metà XIV secolo) e le sculture della lunetta, che richiamano l’arte di Andrea Pisano e del figlio Nino. All’interno si possono ammirare la statua argentea del santo (1764), la pala del Turchi, le eleganti sacrestie, il museo e la pala del Tiepolo del 1740, proveniente dalla Chiesa di San Filippo. Nella cripta sono conservati l’urna argentea (XIII secolo) e l’arca del santo (XIV secolo).