Las reliquias de Santa Filomena fueron descubiertas al principio del siglo XIX. El 24 de mayo de 1802, durante las excavaciones que se están haciendo continuamente en las Catacumbas romanas, un sepulcro fue traído a la luz. En él había tres losas juntas que cerraban la entrada y en ellas podía verse una inscripción que estaba rodeada de símbolos que aludían al martirio y a la virginidad de la persona ahí enterrada. Los símbolos eran: ancla, tres flechas, una palma y una flor. La inscripción decía:

LUMENA PAXTE CUM FI

   Las escrituras estaban en pintura roja y fueron rodeadas con símbolos cristianos. Después de que un estudio, era evidente que estas losas habían sido puestas desordenadamente, o con demasiada rapidez, o alguien no familiarizado con el latín, las había puesto en orden equivocado. Luego de ordenarse correctamente, leyeron:

PAXTE CUM FI LUMENA
(Pax tecum Filumena!)
¡LA PAZ SEA CONTIGO, FILOMENA!

   Cuando, al día siguiente, las losas de piedra fueron quitadas, descubrieron un esqueleto que era de huesos pequeños y notaron a la vez, que el cuerpo había sido traspasado por flechas. Al examinar los restos los cirujanos atestiguaron la clase de heridas que la joven mártir recibió y los expertos coincidieron en calcular que la niña fue martirizada entre la edad de 12 o 13 años. También fue encontrado dentro del lugar del entierro un vaso fino, quebrado a la mitad, cuya pared interna estaba cubierta con sangre coagulada. Era la sangre de la mártir, recogida según la costumbre de los cristianos durante las persecuciones, y puesta con los restos como testimonio de su muerte en el martirio. Esta sangre fue aflojada de los pedazos quebrados del vaso a los cuales estaban adheridos, y puestos cuidadosamente en una urna de cristal. Fue sorprendente ver que estas pequeñas partículas de sangre, tan pronto como cayeron en la urna, brillaban como el oro o la plata pulido, o como diamantes y joyas preciosas, o, eran otra vez resplandecientes con todos los colores del arco iris. (Hasta el presente, se puede observar en algunos momentos de gracia, que estas partículas cambian de color).