Constantin le Grand, qui fut le premier empereur romain à épouser le christianisme, en fit la religion officielle de l'empire romain. Constantin, d'abord maître de la région occidentale de l'Empire romain (306), devint l'unique empereur après avoir battu en 324 ses trois corégents. Il tint ferme les rênes d'un pouvoir absolu jusqu'à sa mort en 337. Il fit de Byzance, qu'il reconstruisit et rebaptisa Constantinople, sa capitale.
En 326, impliqué dans une controverse ecclésiastique, il convoqua une assemblée d'évêques venus de tous les points de l'Empire. Parmi eux se trouvait Macarius, évêque d'Aelia Capitolina, comme était encore appelée Jérusalem. La mère de l'empereur, la reine Hélène, convertie au christianisme, fut très impressionnée par les récits de Macarius touchant à l'état lamentable des lieux sanctifiés par la vie et la mort de Jésus. Avec la bénédiction et les fonds de son fils, elle se rendit en Terre sainte.
Elle identifia à Jérusalem le site de la Crucifixion (le roc tenu pour être celui du Golgotha) et la tombe proche, connue comme Anastasis (résurrection en grec). L'empereur décida de bâtir un sanctuaire approprié au site : ce fut la magnifique église du Saint-Sépulcre, décrite en détail par Eusèbe, historien et biographe de l'époque.
L'église, détruite par les Perses en 614, fut en partie reconstruite par la suite, puis détruite derechef par le calife égyptien Hakim, avant d'être reconstruite en 1048 par l'empereur byzantin Constantin Monomaque. En 1144, les Croisés rebâtirent l'église toute entière sous un seul toit, avec maints ajouts et modifications. Au cours des siècles suivants, l'édifice se délabra.
Dans les années 1960, dans le cadre d'une restauration envisagée de l'édifice, une étude d'ensemble fut entreprise, incluant des fouilles sous les fondations de la basilique actuelle, qui adoptait pour l'essentiel le tracé de l'église des Croisés.
On reconstitua le plan de l'église primitive en se basant sur des sources écrites, des preuves architecturales ainsi que sur des découvertes faites durant l'étude. L'église byzantine était composée de quatre éléments distincts : l'entrée depuis la rue principale le Cardo (aujourd'hui rue marchande principale de la Vieille Ville), menant à une cour (atrium oriental), puis vers la basilique (le martyrion), et vers un atrium intérieur (le jardin sacré) et vers l'extrémité occidentale, la rotonde (anastasis) où se trouve le sépulcre.
Reconstitution de l'église byzantine (selon Corbo)
La cour actuelle
Cette cour, qui se trouve à l'extérieur de l'actuelle basilique du Saint-Sépulcre, repose en partie sur une énorme citerne voûtée. Le mur septentrional de cette citerne, constitué de gros blocs de pierre aux arêtes taillées, s'élève toujours à plusieurs mètres de hauteur. On a émis l'hypothèse que cet ouvrage primitif servait de mur de soutènement à un podium du second siècle de l'époque d'Hadrien. Ceci conforterait les affirmations d'Eusèbe, selon lesquelles le temple de Vénus édifié par Hadrien sur le site de la tombe de Jésus, se trouvait à cet endroit avant la construction de l'église primitive.
La basilique
Au cours des fouilles, des ouvrages de maçonnerie furent découverts sous le catholicon de l'époque des Croisés. Ces vestiges permirent la reconstitution du tracé originel de la basilique du IVe siècle. La position de deux rangées centrales de colonnes dans la basilique peut être déterminée par les vestiges de leurs fondations, encore visibles sur les côtés nord et sud de la chapelle de Sainte-Hélène. Dans un petit espace souterrain au nord de cette chapelle, on a mis au jour les fondations d'une basilique antérieure. Sur une énorme pierre incorporée au mur, un pèlerin de l'église primitive a tracé le dessin d'un navire marchand avec l'inscription latine "O Seigneur, il nous faut partir". Sous l'abside du catholicon actuel, on découvrit une partie de l'abside marquant l'extrémité occidentale de l'église primitive. Eusèbe a décrit cette abside entourée de douze colonnes symbolisant les douze apôtres.
La rotonde et le Sépulcre
La rotonde, qui constitue l'élément le plus important de ce complexe, contient le sépulcre lui-même au sein d'une structure complexe entourée de colonnes qui soutiennent un toit arrondi et ornementé.
Certains vestiges d'ouvrages de maçonnerie ont été découverts sous le sol et autour du périmètre de la rotonde. Là où le soubassement est visible, on peut constater des traces d'extraction de pierres datant de périodes antérieures. Cette extraction a fait baisser le niveau du sol autour du sépulcre, qui se dressait par conséquent bien au-dessus du reste. Une étude architecturale du mur extérieur de la rotonde, d'un diamètre de 35 m, et conservé dans certaines de ses parties jusqu' à une hauteur de 10 m, prouve qu'il a gardé sa forme primitive du IVe siècle. Le sépulcre lui-même est entouré d'un cercle de douze colonnes, par groupes de trois, entre quatre paires de pilastres carrés. Il est possible que les colonnes de la rotonde du IVe siècle furent prises de leur emplacement d'origine, sur la facade du temple romain. La restauration des pilastres a prouvé que ces colonnes, beaucoup plus hautes à l'origine, avaient été coupées en deux par les Croisés pour être insérées dans la rotonde du XIIe siècle.
La restauration de la basilique du Saint-Sépulcre se poursuit encore aujourd'hui et, après avoir été négligé des générations durant, ce site a déjà retrouvé presque toute sa beauté ancienne.
L'étude et les fouilles ont été dirigées par V. Corbo, Ch. Coüasnon, M. Broshi et autres, pour le compte des communautés chrétiennes qui administrent le Saint-Sépulcre : les Eglises catholique-romaine, grecque-orthodoxe et orthodoxe- arménienne.