Con la pace di Costantino, stipulata ne 313 d. C., la fervida comunita di Sulci diede vita al "Martyrium" di Sant'Antioco sopra l'ipogeo che ne accoglie le Sacre Spoglie. Di Probabile origine paleo cristiana, il tempio originario, a pianta centrale di croce greca, vide una prima ristrutturazione durante la reggenza del Vescovo Pietro, come testimonia un'epigrafe marmorea custodita nella Cattedrale di Iglesias. Il Martyrium sorse al centro di una notevolissima necropoli che, dopo recentissimi studi, è probabilmente da imputare ad un'origine preistorica. I recenti restauri hanno restituito il paramento murario primitivo, evidenziando i molteplici interventi, durati secoli, ed hanno rivelato in parte la planimetria d'origine paleocristiana. Con un altare collocato nella navata Sud del Tempio, l'antico Martyrium si apriva verso Nord, mentre gli altri due bracci, uno orientato verso Est, ora abside della nuova struttura, dava l'accesso alle campane e alla Sagrestia, mentre l'altro verso Ovest guardava il tramonto. Ai lati dell'antico Altare si aprivano i passaggi per le sepolture principali: Sant'Antioco e Santa Rosa. Le forme originali divennero bizantine sotto il Vescovo Pietro e infine, in periodo Vittorino, modificate dalla civiltà romanica. L'ultimo intervento, imputabile al periodo barocco, vide l'allungamento della attuale navata centrale con la definitiva sistemazione della pianta a croce romana. Alla basilica greco - romana, tra il quarto e il sesto secolo dopo Cristo, il Vescovo Pietro, instaurò un tempio accentrato e cupola dove la cupola a mezza sfera simboleggiava il cosmo, impronta bizantina figurativa di Dio e dell'opera di salvezza del mondo. Rispettando la planimetria originale, si da il via ai lavori, raccordando le arcate con dei pilastri massicci e creando le volte a botte e, nel corpo centrale la cupola tipica bizantina. Con pianta emisferica, dotata di quattro luci orientate sui punti cardinali, la cupola è impostata su quattro archi. Delle particolare esigenze acustiche avrebbero spinto l'architetto del tempio inserire degli "Echea", vasi acustici di terracotta, ai lati delle cuffie che delimitano la cupola, per ottenere degli "altoparlanti" disposti su un piano. Successivamente al passato pericolo delle invasioni saracene, i Monaci Vittorini, attraverso un programma di ristrutturazione di antiche chiese sarde, fecero giungere a Sulci maestri e maestranze dalla Francia meridionale, con l'intento di restituire alla chiesa, l'antico splendore romanico. Trasformando l'originario sistema crociato, la navata centrale venne prolungata e dotata di un abisde mentre le arcate laterali a questa vennero dotate di campate e costruite le navate laterali con volte a botte. Verso il 1700, alla chiesa venne adattata una facciata di tipo tronco provinciale, dove al centro era collocata una grande luce ovale. L'attuale pavimentazione, di periodo barocco, non è certamente il piano originale, che doveva essere più basso, poggia direttamente sull'ipogeo di Santa Rosa. Gli ultimi scavi, nel pavimento del Tempio, hanno riportato alla luce architravi e pilastri marmorei che per la decorazione e i bassorilievi figurati, si collocano in un orizzonte storico romano, mentre murati nell'altare - sepolcro del Santo, compaiono dei frammenti di decorazioni floreali, del Suonatore di doppio flauto, di chiara matrice bizantina.