La basílica, en la ciudad de Cagliari, da a una gran plaza. La zona en la que se levanta, al pie de la colina de Bonaria, corresponde a la necrópolis cristiana más antigua de la que se tiene constancia en la capital.
El título aparece registrado por primera vez en un pasaje del diácono Ferrando, biógrafo de Fulgencio, el obispo de Ruspe que en el primer cuarto del siglo VI fue exiliado por el rey Trasamondo del norte de África a Cagliari, donde permaneció dos veces y fundó un monasterio «iuxta basilicam sancti martyris Saturnini».
El edificio se habría construido como un «martirio» en honor a San Saturnino, martirizado en Cagliari en 304. La estructura original era la de una iglesia cruciforme de principios de la Edad Media, con una planta central con cuatro brazos iguales y un cuerpo central abovedado. De esta fábrica se conservan el cuerpo abovedado y los restos del ábside cuadrangular escarsellado. La cúpula está conectada mediante unos auriculares semicruzados (que quizás sustituyeron a las trompetas de un cuarto de bola) al compartimento cuadrado, definido por arcos en el centro que desembocan en pilares con columnas en forma de panal de mármol rojo africano.
En 1089, Constantino-Salusio II de Lacon-Gunale, juez de Cagliari, donó el título a los Vittorini de Marsella, quienes reconstruyeron el monasterio y establecieron la sede del priorato sardo en San Saturnino. Los monjes fueron responsables de la reestructuración de la iglesia en formas proto-románicas entre 1089 y 1119, año de su reconsagración. Durante esta fase, gracias a los trabajadores provenzales, se mantuvo el cuerpo central abovedado y se reconstruyeron los cuatro brazos, de los que solo queda intacto el oriental, con tres naves y ábside, con una pared de piedra caliza bonaria, toques de bicromia debido a la inserción de sillares volcánicos y al uso de restos de mármol. El pasillo central tiene una bóveda de cañón colocada sobre un marco y salpicada de arcos inferiores, mientras que las navatelle tienen bóvedas cruzadas en cantonetti.
Un manuscrito de Carmona, de 1631, contiene dos dibujos del edificio románico que aún estaban intactos, antes de que el material utilizado en la renovación de la catedral de Cagliari fuera retirado de sus brazos en ruinas en 1669.

Historia de los estudios
Los estudiosos discrepan sobre el nombre original, la configuración y la ubicación cronológica de la planta de principios de la Edad Media. En 1953, Raffaello Delogu reconoció en la iglesia el patrón típico del «martyrium», el edificio honorífico construido con una planta cruciforme sobre el entierro de quienes se habían sacrificado por la fe. En 1978, Renata Serra, utilizando el Delogu, cedió el edificio cruciforme a la primera mitad del siglo V. En 1979, Tatiana K. Kirova afirma que al «martirio» cruciforme, asignado al siglo VI, se le perforaron los brazos directamente de la fábrica original. En 1984, Letizia Pani Ermini identificó en una estructura mononave con un ábside en forma de N, que se encuentra debajo de la iglesia cruciforme, la «basílica sancti martyris Saturnini», donde Fulgencio di Ruspe construyó el monasterio a principios del siglo VI; hacia mediados del siglo VI, la iglesia de una sola nave habría dado paso a la iglesia en forma de cruz. Existe un mayor acuerdo sobre la reestructuración románica, para la que Delogu ya identificó formas de construir el área franco-ibérica gracias a los Vittorini de Marsella.

Bibliografía
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;
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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.