Le notizie sulla vita della basilica restano incerte  fino al 1605, anno in cui iniziano le ricerche per il recupero del corpo di San Valentino. Gli scavi furono promossi sotto il pontificato di Paolo V nell'ambito del rilanciato interesse per i primi martiri della Chiesa, che mirava ad autenticare la loro esistenza e accrescerne la venerazione. Lo stato di decadenza in cui versava la basilica e la crescita del culto di san Valentino spinsero a traslare le reliquie del Santo in Cattedrale e ad affrettare i lavori di ricostruzione della chiesa, avviati nel 1606, con la realizzazione di un edificio a navata unica, che oggi ospita l'altare contenente il corpo di San Valentino, solennemente riportato in basilica nel 1618.
Le statue in stucco in facciata, anch'essa seicentesca, sono state collocate durante i restauri di metà ottocento.

Alla consuetudine del Santo di favorire l'unione tra i giovani sono legate diverse leggende. La leggenda di Sabino e Serapia narra dell'unione ostacolata sulla terra tra un pagano e una cristiana, uniti da Valentino per l'eternità in un sonno beatificante. Quella della Rosa della Riconciliazione, offerta dal Santo a due fidanzati in lite riappacificandoli, sembra aver dato origine alla ricorrenza del 14 febbraio, che celebra la Festa degli Innamorati da quando fu ritrovato il corpo del Santo in basilica a Terni.