La cathédrale primitive a été bâtie au centre même du castrum de l'antiquité tardive. A cet endroit se trouvait un quartier d'habitation constitué de maisons de pierre et de bois. Au nord, en particulier, on a dégagé les restes d'une villa urbaine confortable datant des IIe-IIIe siècles. Le quartier a été incendié à la fin du IIIe siècle. dans la seconde moitié du IVe siècle, un petit balnéaire est construit juste derrière l'emplacement actuel de la Tour Saint-Romain.
Un premier sanctuaire a été construit à cet endroit à la fin du IVe siècle si on en croit le texte attribué à Victrice (394-418). Il est vraisemblable qu'il ait occupé l'emplacement de la nef actuelle de la cathédrale. Georges Lanfry a dégagé en 1954 un morceau de mur qui a pu appartenir à cet édifice. Jacques le Maho a mis au jour, au nord de la cathédrale actuelle, un vaste ensemble de substructions qui ont vraisemblablement appartenu à une basilique parallèle située là où est maintenant la cour d'Albane, à l'est et appuyé sur le balnéaire cité plus haut. Les fouilles ont également révélé, au sud de la cathédrale actuelle, des vestiges de cette époque qui ont pu appartenir au groupe épiscopal.
Le groupe a été détruit par un incendie au début du Ve siècle et semble avoir été plus ou moins abandonné. Des traces de pratiques agricoles ont été relevées. Le balnéaire est abandonné et un atrium est construit entre les deux églises.
Un baptistère avait du être construit à l'est de l'atrium, là où se trouve maintenant le bras nord du transept de la cathédrale actuelle (une chapelle baptismale Saint-jean y est attestée au XIe siècle encore).
Il semble que l'époque mérovingienne et le début de l'époque carolingienne n'aient pas vu beaucoup de modifications en dehors du secteur situé au nord de la basilique septentrionale où semble se développer un quartier cannonial et au sud de l'ensemble où se trouvait peut-être la maison de l'évêque.
L'ensemble a de nouveau été détruit en 841 lors du premier raid viking. Jacques le Maho a retrouvé les traces de cet incendie sur tout le site. La vie religieuse reprit semble-t-il rapidement, mais la basilique nord fut abandonnée. La stabilisation de la situation avec l'installation de Rollon en 911 permit une restauration semble-t-il sommaire.
Au début du XIe siècle (vers 1020), on commença la construction du choeur et du transept roman. C'est à cette époque que la cathédrale primitive fut détruite.