Prima testimonianza dell'architettura paleocristiana nella regione, l'edificio fu costruito nel VI sec. nel punto in cui sorgeva il martyrium di Saturnino, un abitante di de Cagliari. Di quest'epoca sussistono il corpo centrale, con i quattro pilastri collegati da archi che sostengono la cupola, e le vestigia della piccola abside quadrangolare. Il monastero, ricostruito fra il 1082 e il 1119 (si veda il braccio finale a tre navate e l'avancorpo), restò intatto fino al 1669, quando la basilica venne spogliata per procedere al rimaneggiamento della cattedrale.