El martirio ocurrió en tiempos de Juliano el Apóstata (360-363); el gobernador Aproniano, después de haber hecho asesinar a sus padres Flaviano y Dafrosa, seguro de poderse adueñar de su patrimonio, trató de obligar a la apostasía a las jóvenes hijas de los mártires. Encerradas en la cárcel, Demetria murió antes de la terrible prueba. Bibiana, impávida y resuelta, enfrentó al gobernador, que, para debilitar su resistencia la confió inútilmente a una alcahueta. Entonces ordenó que Bibiana fuera atada a una columna y flagelada.
Llena de llagas por todo el cuerpo, finalmente la joven mártir entregó su alma a Dios. Echaron su cuerpo a los perros, pero un cristiano de nombre Juan, que la leyenda identifica con el tutor cristiano de Juliano, que se asocia con san Pimenio, lo rescató y le dio sepultura junto a la tumba de sus padres y de la hermana, cerca de su casa, en donde pronto construyeron una capilla y más tarde la actual basílica, sobre el monte Esquilino.
La Iglesia ha venerado desde hace siglos el recuerdo de esta mártir desconocida por la historia. Al papa Simplicio se le atribuye la construcción de una basílica en honor de la bienaventurada mártir Bibiana, que de hecho existió desde el siglo V. Butler explica que se la venera como patrona de los enfermos mentales y epilépticos porque en la leyenda se decía que había sido encerrada con locos.