Le origini della chiesa risalgono al XII secolo, epoca in cui venne edificata una pieve le cui tracce sono state rinvenute nel corso di opere di restauro del presbiterio odierno. Poco distante fu ritrovato anche un sarcofago romano di epoca imperiale, oggi esposto presso il Museo archeologico nazionale di Altino.
La chiesa venne consacrata il 3 ottobre 1490 dal vescovo Nicolò II Franco di Treviso.
Dal 1493 al 1797 la chiesa fu affidata ai monaci benedettini di Monte Oliveto, che già avevano un monastero sull’isola di Sant’Elena (Venezia) gestirono la parrocchia, abbellendola con pregevoli sculture di stile lombardo. Ricostruita nel 1750, venne riconsacrata nel 1769.
La facciata è decorata con due sculture quattrocentesche di Giovanni Buora (1445–1513), raffiguranti, probabilmente, i Santi Patroni. All’interno è conservata una pregevole scultura della Madonna con Bambino del medesimo autore. Vi sono, inoltre, numerosi affreschi di Gaspare Diziani (1689–1767) raffiguranti i Santi Patroni Vito e Modesto, Gesù tra i dottori del tempio, la Trasfigurazione, la Teologia e la sua opera più importante Il sacrificio di Melchisedek, oltre a diversi Evangelisti e Profeti.
Su un altare laterale, si trova la pregevole pala che raffigura la Incoronazione della Vergine con Santi, opera di Vittore Belliniano del 1524. Altre opere importanti sono il Battesimo di Gesù di Francesco Montemezzano (1540-1602) della scuola del Veronese e il bassorilievo della “Madonna delle candelabre” di Antonio Rossellino (1427-1479).
All’interno della chiesa, la cappella dedicata a Santa Francesca Romana, patrona di Spinea, ospita una pala d’altare realizzata nel 1622 da Odoardo Fialetti (1573-1638).
La chiesa custodisce un importante organo realizzato nel 1773 da Gaetano Callido (numero di matricola 86), una delle opere più preziose della organistica veneta.
Il campanile della chiesa dei Santi Vito e Modesto è uno degli ultimi resti del castello di Orgnano, abbattuto nel XVI secolo.