A testimoniare la grande vitalità dell'architettura giustinianea e assieme la varietà delle possibili derivazioni dai modelli costantinopolitani, stanno anche le differenze fra i tre maggiori organismi cruciformi cupolati eretti in Sardegna tra la metà del VI e il VII secolo.

Lo storico Procopio di Cesarea termina i sei libri della sua opera "De Aedificiis" nel 554, con una sola indicazione relativa alla Sardegna: la fortificazione della città di Forum Traiani, odierna Fordongianus. Per quanto l'opera sia stata compilata e rivesta un interesse principalmente per le informazioni militari, si può anche pensare che a quella data nessuna grande fabbrica ecclesiastica fosse stata intrapresa nell'isola, almeno non con la committenza imperiale.

Non prima della metà del VI secolo va dunque collocata la fabbrica di San Saturnino a Cagliari; fra la metà del VI e il VII secolo quelle di Sant'Antioco e di San Giovanni di Sinis. La probabile anteriorità della basilica cagliaritana trova ragione nella maggiore prossimità al prototipo della chiesa dei Santi Apostoli a Costantinopoli, ricostruita sotto Giustiniano nel 550. La successione delle altre due non è precisabile, in quanto entrambe presentano elementi comuni a San Saturnino, ma diversi fra loro.

In tutt'e tre le chiese alle quattro arcate del cubo centrale, configurato a baldacchino, si innestavano altrettanti bracci voltati a botte. L'esatta restituzione degli impianti originari non è operazione agevole, potendosi supporre tanto croci libere quanto croci inscritte. Rispetto al prototipo costantinopolitano, gli edifici sardi sono contraddistinti da elementi tecnico-formali che derivano dal locale sostrato tardoantico. Infatti le murature, anziché in mattoni laterizi, sono in conci litici.

La principale conseguenza della scelta di coprire in pietra un intero edifico è rappresentata dalla necessità di innalzare muri spessi e robusti, tali da contrastare le spinte e consentire lo scarico dei pesi fino a terra, anche senza il ricorso a contrafforti. Rispetto alle volte a botte, che richiedono l'adeguamento dei muri perimetrali alle forti spinte laterali e al carico complessivo, la cupola pone un problema aggiuntivo, costituito dalla necessità di impostare la calotta emisferica su una base quadrata. Quest'ultima è data dal cubo centrale, definito da una struttura "a baldacchino": quattro pilastri che reggono spessi archivolti, generatori delle volte a botte dei bracci. Si determina così un quadrato d'imposta della cupola. Però, mentre i settori di quest'ultima che intersecano i lati del quadrato possono poggiarvi senza difficoltà, quelli in corrispondenza degli angoli interni trovano il vuoto, dunque hanno bisogno di soluzioni di raccordo.

Questo problema fu risolto nell'architettura tardoromana prevalentemente con trombe (elementi a quarto di sfera, generati da un archetto), in quella iranica con pennacchi (elementi a triangolo piano). Sia le trombe sia i pennacchi consentono di erigere la cupola su un'imposta così trasformata da pianta quadrata a pianta circolare. Nei tre edifici sardi, la soluzione di raccordo della cupola all'imposta è data da trombe (Sant'Antioco e probabilmente anche San Saturnino, in origine) anziché da pennacchi, presenti solo nel San Giovanni di Sinis. Quest'ultimo è caratterizzato inoltre da proporzioni più slanciate, mentre gli altri due sono contraddistinti da proporzioni massicce.

Tutt'e tre le chiese subirono modifiche nei secoli successivi. San Giovanni di Sinis fu parzialmente ricostruita e ampliata prima della fine dell'XI secolo, trasformando l'impianto da centrale a longitudinale. Fu creata un'aula a tre navate e all'originario braccio trasversale fu assegnata funzione di transetto. Analoga soluzione fu adottata nel Sant'Antioco, forse ancora prima o in occasione della sua donazione all'abbazia benedettina di San Vittore di Marsiglia, poco prima del 1089. Negli stessi anni anche San Saturnino di Cagliari veniva donata dai giudici cagliaritani ai monaci vittorini, che ne curarono la ristrutturazione in forme romaniche. Fu mantenuto il corpo centrale, fu risarcita la cupola, mentre i bracci vennero ricostruiti sempre trinavati, ma con volte a botte percorsa da sottarchi nelle navate centrali e volte a crociera nelle laterali.