La basilica, nell'abitato di Cagliari, prospetta su una grande piazza. L'area su cui sorge, ai piedi del colle di Bonaria, corrisponde alla più antica necropoli cristiana attestata nel capoluogo.
Il titolo è registrato per la prima volta in un passo del diacono Ferrando, biografo di Fulgenzio, il vescovo di Ruspe che nel primo quarto del VI secolo fu esiliato dal re Trasamondo dal Nord Africa a Cagliari, dove soggiornò due volte e fondò un monastero "iuxta basilicam sancti martyris Saturnini".
L'edificio sarebbe stato costruito come "martyrium" per onorare San Saturnino, martirizzato a Cagliari nel 304. L'impianto originario era quello di una chiesa altomedioevale cruciforme, a pianta centrale con quattro bracci uguali e corpo centrale cupolato. Di questa fabbrica rimangono il corpo cupolato e residui dell'abside a scarsella quadrangolare. La cupola è raccordata tramite scuffie a mezza crociera (che sostituirono forse trombe a quarto di sfera) al vano quadrato, definito da archi a pieno centro che scaricano su pilastri con colonne alveolate in marmo rosso d'Africa.
Nel 1089 il titolo fu donato da Costantino-Salusio II de Lacon-Gunale, giudice di Cagliari, ai Vittorini di Marsiglia, che ricostruirono il monastero e istituirono a San Saturnino la sede del priorato sardo. Ai monaci si deve la ristrutturazione della chiesa in forme protoromaniche tra il 1089 e il 1119, anno della riconsacrazione. Durante questa fase, dovuta a maestranze provenzali, fu mantenuto il corpo centrale cupolato e furono riedificati i quattro bracci, di cui resta integro solo quello orientale, a tre navate e abside, con paramento in calcare di Bonaria, accenni di bicromia dovuti all'inserimento di conci vulcanici e utilizzo di spogli marmorei. La navata mediana ha volta a botte impostata su cornice e scandita da sottarchi, mentre le navatelle hanno volte a crociera in cantonetti.
In un manoscritto del Carmona, del 1631, sono contenuti due disegni dell'edificio romanico ancora integro, prima che nel 1669 dai bracci in rovina fosse asportato del materiale impiegato nella ristrutturazione della cattedrale cagliaritana.

Storia degli studi
Gli studiosi non concordano sull'originaria intitolazione, la configurazione e la collocazione cronologica dell'impianto altomedioevale. Nel 1953 Raffaello Delogu riconobbe nella chiesa lo schema tipico del "martyrium", la costruzione onoraria edificata a pianta cruciforme sulla sepoltura di chi si era sacrificato per la fede. Nel 1978 Renata Serra, sulla scorta del Delogu, data l'edificio cruciforme alla prima metà del V secolo. Nel 1979 Tatiana K. Kirova sostiene che il "martyrium" cruciforme, assegnato al VI secolo, avrebbe avuto bracci trinavati fin dalla fabbrica originaria. Nel 1984 Letizia Pani Ermini identifica in una struttura mononavata con abside a N, ritrovata sotto la chiesa cruciforme, la "basilica sancti martyris Saturnini" presso la quale Fulgenzio di Ruspe all'inizio del VI secolo edificò il monastero; verso la metà del VI secolo la chiesa mononavata avrebbe ceduto il posto a quella a croce. Maggiore accordo esiste sulla ristrutturazione romanica, per la quale già il Delogu individuò modi costruttivi dell'area franco-iberica dovuti ai Vittorini di Marsiglia.

Bibliografia
R. Delogu, L'architettura del Medioevo in Sardegna, Roma, La Libreria dello Stato, 1953, pp. 8-13, 48-51;
T.K. Kirova, La basilica di S. Saturnino in Cagliari, La sua storia e i suoi restauri, Cagliari, 1979;
L. Pani Ermini, "Ricerche nel complesso di S. Saturno a Cagliari", in Atti della Pontificia Accademia Romana di Archeologia. Rendiconti, LV-LVI, 1982-84, pp. 111-128;
R. Coroneo, Architettura romanica dalla metà del Mille al primo '300, collana "Storia dell'arte in Sardegna", Nuoro, Ilisso, 1993, sch. 2;
R. Coroneo-R. Serra, Sardegna preromanica e romanica, collana "Patrimonio artistico italiano", Milano, Jaca Book, 2004, pp. 35-41, 44.
R. Serra, Studi sull'arte della Sardegna tardoantica e bizantina, Nuoro, Poliedro, 2004, pp. 95-96, 101-102;
R. Coroneo, Chiese romaniche della Sardegna. Itinerari turistico-culturali, Cagliari, AV, 2005, pp. 92-93;
R. Coroneo, "La basilica di San Saturnino a Cagliari nel quadro dell'architettura mediterranea del VI secolo", in San Saturnino Patrono della Città di Cagliari nel 17° centenario del martirio, Cagliari, 2005, pp. 55-83.