El óleo sobre lienzo Éxtasis de Santa Filomena se ambienta en una mazmorra subterránea en la que está encadenada la mártir cristiana, que cae desvanecida en brazos de un ángel mancebo ante la aparición extática de la Virgen con el Niño entre nubes y angelitos. Según las inscripciones halladas en su supuesta tumba, la santa fue ejecutada con flechas. Parece que ello ocurriría en tiempos del emperador Septimio Severo.

María y el pequeño Jesús se ubican en un rompimiento de gloria, en la zona superior izquierda del cuadro. A los pies de una escalinata figura arrodillada Filomena, ante tres querubines músicos que asisten a la visión y dejan sus instrumentos para consolar a la mártir, situados a la izquierda bajo la celestial visión.

El cuadro fue pintado en 1843. Vicente López lo envió a la exposición anual de la Real Academia de Bellas Artes de San Fernando (Madrid), donde recibió numerosos elogios porque tanto su bella composición, como su variado colorido y matices, hacen de esta obra una de las mejores creaciones del autor.

En la Biblioteca Nacional de España (BNE) se conserva un boceto a pluma y tinta azul, considerado el primer ensayo compositivo, aunque luego desechado, para la pintura. Otros dos bosquejos se relacionan con la misma pieza y mano: un dibujo, "Santa Filomena sostenida por un ángel", y un boceto, "Éxtasis de Santa Filomena", conservados en la BNE y en una colección particular, respectivamente.

La pintura fue restaurada por Adela Murgui entre 2017 y 2018, tras lo cual se incorporó a la colección permanente del Museo de Bellas Artes de Valencia. Formó parte de la colección valenciana Cuadra. Su esquema compositivo es similar a otra obra de Vicente López en la que San José entrega la Constitución al rey Fernando VII.