La menzione del primo edificio sacro in questo sito risale all'inizio del IX secolo, ai tempi del pontificato di Papa Leone III (795-816). Il biografo papale, raccontando delle chiese e dei monasteri adornati da questo vescovo di Roma, cita anche la cappella dei Santi Sergio e Bacco, situata nel cosiddetto quartiere Callinico. Alla fine del IX secolo, Papa Benedetto III (855-858) dona al monastero due calici d’oro e un diskos (patena). La chiesa viene di nuovo ricordata nell'XI secolo, nelle bolle dei Papi Gregorio VI e Gregorio VII, come monastero di San Sergio chiamato anche Monastero Callinico in Suburra. È probabile che la chiesa dedicata ai Santi martiri Sergio e Bacco (militari di alto rango alla corte dell'imperatore dell'Impero Romano d'Oriente Massimino Daia, morti martiri in Siria intorno al 310), esistesse già in precedenza.
Il culto dei martiri Sergio e Bacco si diffuse rapidamente in tutto l'Impero romano. Nel 527 a Costantinopoli fu eretta la Chiesa dei Santi Sergio e Bacco, oggi nota come la Piccola Santa Sofia. Nel IX secolo, a Roma c'erano cinque chiese dedicate ai Santi Sergio e Bacco, ma oggi solo la chiesa ucraina porta il loro nome.
La storia di questa chiesa è strettamente legata al nome del cardinale Antonio Barberini (1596-1646), fervido mecenate di molte chiese romane, fratello del papa Urbano VIII. Infatti, con il suo sostegno fu completamente restaurata anche la chiesa dei Santi Sergio e Bacco. Il cardinale Barberini, inoltre, acquistò gli edifici ad essa annessi per le esigenze degli ucraini, e lasciò un fondo per la manutenzione di questi edifici e della chiesa stessa. Il suo nome è inciso in un'iscrizione commemorativa sopra il portico della chiesa.
