Il y a peu d’informations sur la vie de Philomène. Sa dépouille fut découverte en 1802, avec trois plaques de terre cuite fixées à la tombe : LUMENA / PAX TE / CUM FI ». On jugea que l’ordre des briques avait été inversé et qu’il fallait lire :« PAX TE / CUM FI / LUMENA », c’est-à-dire, “Que la paix soit avec toi, Philomène”. Un lis, une flèche, une ancre et une palme sont également gravés dans la roche.
En 1833, une religieuse napolitaine aurait eu une vision lui révélant que Sainte Philomène aurait été la fille d’un roi de Grèce qui attira les convoitises de l’empereur Dioclétien. Elle refusa toutes ses avances. L'empereur la fit torturer mais elle demeura inébranlable, et elle finit par subir le martyre. Des esclaves chrétiens recueillirent son corps et ils allèrent le déposer pieusement dans les catacombes romaines.
Sa réputation de sainteté se répandit dans toute l’Italie, l’Espagne et le Portugal, et même en France, où la saint curé d’Ars opéra plusieurs miracles grâce à son intercession.
Le pape Grégoire XVI canonise Philomène en 1837, mais en raison des doutes sur son existence réelle, la sainte fut rayée du calendrier liturgique en 1961.