Questa chiesa, uno degli esempi più rappresentativi di edificio sacro medievale in territorio estense, fu certamente nota anche a Ludovico Ariosto per la stretta vicinanza del luogo con la Cattedrale e con i palazzi della corte estense. Già esistente nel 990, la chiesa di San Romano è stata amministrata dapprima dai Benedettini dell’abbazia di Fruttuaria, poi dai canonici regolari di Sant’Agostino. Dal 1230 la storia dell’edificio si lega a quella degli Este i quali, nel 1287, avviarono una totale ristrutturazione cui ne seguirà un’altra non meno importante nel 1407. All’epoca di Ariosto questa chiesa fu oggetto di ulteriori restauri e rimaneggiamenti in particolare nel 1487 quando Folco d’Este fece restaurare la chiesa e il chiostro, sopraelevandoli e aggiungendo sulla facciata e sui prospetti laterali gli elementi decorativi in cotto tuttora visibili. La chiesa venne nuovamente restaurata alla fine del Cinquecento ed ampliata nel 1619. Ulteriori modifiche si ebbero nel 1754 per volontà del cardinale Crescenzi, il quale fece anche ricostruire l’altare che custodiva il corpo di San Romano.

Nel 1796 la chiesa fu soppressa e passò al Demanio, per poi essere donata, con decreto del 1808, alla Municipalità di Ferrara che la destinò a luogo di detenzione per i colpevoli di brigantaggio. Nel 1811 fu venduta a privati e da questi adibita a magazzino di ferramenta, uso che mantenne fino all'inizio degli anni Cinquanta del Novecento, benché fosse stata riacquisita dal Comune nel 1941. Il 5 giugno 1944, durante un’incursione aerea, il chiostro, la chiesa e alcuni fabbricati annessi furono bombardati riportando danni gravissimi. Negli anni Cinquanta, la chiesa venne completamente liberata dalle costruzioni che si addossavano ai prospetti e restaurata esternamente, mentre il chiostro fu ricostruito tra il 1951 e il 1954. Negli anni Settanta, San Romano trova una nuova funzione: quella di sede espositiva per mostre temporanee; contemporaneamente venne ipotizzata per la prima volta una sua rifunzionalizzazione come sede del Museo della Cattedrale, proposito poi realizzato alla fine del 2000. Al di sopra del portale della chiesa, nel timpano, è scolpito un bassorilievo raffigurato San Romano a cavallo di recente attribuito al grande Nicholaus, scultore e architetto della adiacente Cattedrale.