Premier témoignage d'architecture paléochrétienne dans la région, l'édifice fut construit au 6e s. à l'emplacement du martyrium de Saturnino, un habitant de Cagliari. De cette époque subsistent le corps central, avec ses quatre piliers reliés à des arcs soutenant la coupole, et des vestiges de la petite abside quadrangulaire. Le monastère, reconstruit entre 1082 et 1119 (voyez le bras final à trois nefs et l'avant-corps), demeura intact jusqu'en 1669 : on dépouilla alors la basilique pour procéder au remaniement de la cathédrale.