Filomena przez ponad 150 lat należała do najbardziej czczonych świętych. Jej kult został zapoczątkowany w oparciu o znalezisko. W czasie wykopalisk prowadzonych w Katakumbach Pryscyli w Rzymie 25 maja 1802 r. odnaleziono grób z ceramiczną tabliczką, na której znajdowały się symbole strzały, palmy, lilii, bicza oraz napis Pax tecum, Filemena. Wyciągnięto wniosek, że w miejscu tym pochowana została męczennica nosząca imię Filomena. Proboszcz parafii w Mugnano w diecezji Nola w Kampanii przeniósł 10 sierpnia 1805 r. odnalezione szczątki do Mugnano, miasta położonego na wzgórzu niedaleko Neapolu. Temu wydarzeniu towarzyszyły liczne cuda. Od tego dnia zaczął rozwijać się silny kult Filomeny, który wkrótce rozprzestrzenił się po świecie i został powiązany z legendą o rzymskiej męczennicy. W latach 1824-1836 wstawiennictwu św. Filomeny przypisywano wiele nagłych uzdrowień. Papież Grzegorz XVI zaaprobował Mszę i oficjum ku czci Świętej. Również kolejni papieże pozytywnie odnosili się do kultu św. Filomeny. Dopiero w roku 1961 Kościół katolicki zniósł święto Filomeny, chociaż do dziś jej kult jest dość żywy, szczególnie w Mugnano.
Sama zaś legenda mówi, że ojciec Filomeny był greckim królem, który nawrócił się na chrześcijaństwo. Gdy w III wieku wybuchły prześladowania za Dioklecjana, król ze swoją córką udali się do Rzymu, by pertraktować z cesarzem. Władca, oczarowany pięknością dziewczyny, chciał pojąć ją za żonę. Filomena wyjaśniła mu jednak, że jest już poślubiona Chrystusowi. Rozzłoszczony odmową Dioklecjan rozkazał uwięzić młodą chrześcijankę i torturować ją, a na koniec z kotwicą przywiązaną do szyi wrzucić do Tybru, gdzie strzelano do niej z łuku. Ponieważ Filomena przeżyła, a co więcej nie odniosła żadnych ran, cesarz zarządził jej ścięcie, co miało nastąpić około 303 roku.
Została formalnie kanonizowana po długim i dojrzałym rozważeniu oraz po zbadanym i potwierdzonym uzdrowieniu Służebnicy Bożej Pauliny Jaricot (założycielki Krzewienia Wiary i Żywego Różańca) przez papieża Grzegorza XVI.
Do najbardziej oddanych czcicieli św. Filomeny należał św. Jan Maria Vianney, który wraz z Pauliną Jaricot przyczynił się do powstania tego szeroko rozpowszechnionego nabożeństwa do Filomeny, z którego słynęła Francja. Medaliki błogosławione przez Vianney'a wysyłane były do wszystkich regionów Francji i stawały się kanałami niezliczonych błogosławieństw nimi obdarowanych, a uzdrowienia wszelkiego rodzaju miały miejsce dzięki użyciu oleju, który płonął dniem i nocą przed figurą Filomeny w kościółku w Ars, gdzie teraz znajduje się kaplica Cudotwórczyni.
Do czcicieli św. Filomeny należeli też św. Magdalena Zofia Barat, założycielka zakonu Najświętszego Serca, św. Piotr Chanel, pierwszy męczennik Oceanii i św. Piotr Eymard, założyciel Ojców od Najświętszego Sakramentu (tzw. eucharystów).