Situada fuera del recinto murado de la Mérida romana, aunque no lejos de él y de una de las principales puertas de la ciudad (“Puerta de la villa”), y limitada por otra parte por el amplio valle del río Albarregas, se estableció a partir del siglo IV en lugar destinado a enterramiento de cristianos, en donde, o bi en tuvo lugar el martirio de Eulalia, o bien fue allí donde se situó su enterramiento. Será en época de Constantino cuando tuvo lugar la elevación de un edificio destinado a rendir culto a la mártir Eulalia. La existencia de este templo queda avalada por los versos del poeta Prudencio, por las crónicas cristianas y por las constantes menciones en la obra de las Vitas Patrum Emeritensium. Toda esta información textual queda avalada por el contraste arqueológico que se ha llevado a cabo en la década pasada, que alude a la existencia de la primera basílica de tipo constantiniano y, de las reformas llevadas a cabo en la segunda mitad del siglo sexto.

Tras los trabajos de excavación se han podido determinar la existencia de estructuras de tipo doméstico, unido tal vez a otras actividades de tipo industrial, propias de las zonas situadas extramuros y que podían fecharse, hacia el s. I d.C. El carácter cristiano aparece ya manifiesto a partir del s. IV al añadirse el enterramiento de la niña Eulalia, sobre la que se elevó un túmulo citado en la obra de Aurelio Prudencio, y que debió sufrir diversas vicisitudes como las que se vio sometido el templo durante el siglo V con motivo del saqueo efectuado por las tropas suevas al mando de Hermegario en el 428.

La época más floreciente del edificio cultural está constituida por la reforma debida al Arzobispo Fidel en torno al año 570. En estos momentos se sabe por las fuentes textuales que se le añadieron torres y fue ricamente decorada. A esta etapa pertenece gran parte de la actual estructura en planta, caracterizada por un edificio de tres naves orientadas de E. a O. y rematadas en su parte oriental por un ábside semicircular, correspondiente a la nave central, y dos capillas rematadas por sendos ábsides, que se corresponden con las naves laterales. Toda la obra estuvo realizada mediante el empleo de sillares graníticos.

En el interior se mantuvieron diversos espacios destinados a uso funerario formados por sepulcros de diversa tipología, entre los  que destacan las tumbas de muretes de ladrillo y los sarcófagos de mármol, además de cinco mausoleos de cronología tardorromana o paleocristiana. Es interesante comprobar que la mayor parte de la zona delantera de la iglesia, en las proximidades de lo que será en la actualidad el presbiterio, es antigua. Ello es de suma importancia para conocer las primeras fases de instalación arquitectónica ya de carácter cultural de época paleocristiana, del s. IV, queda comprobada por un ábside situado bajo una cripta del s. XVIII en el ábside principal. Este edificio habría que relacionarlo con el tumulus, mausoleo o martirio cantado por Prudencio.

Por último la reforma de la iglesia perteneciente a la fase de dominio visigodo y relatada en la Vitas Sanctorum Patrum Emeritensium supone tanto replantear todo el edificio, como la ampliación en anchura de las naves, la erección de unos potentes muros de sillares graníticos reutilizados de edificios anteriores, y de una nueva configuración de la cabecera con la realización de un ábside central de grandes dimensiones y otros dos menores situados a ambos lados de forma simétrica.

Tras las excavaciones realizadas con motivo de las últimas obras de remodelación interna de la iglesia, su estado de conservación es excelente, a la vez que permite un recorrido por el interior de las zonas de interés arqueológico, que pudiera considerarse como modélica para este tipo de edificios que ofrecen una lectura estratigráfica. Así mismo se suma un Centro de Interpretación que permite al visitante viajar por el tiempo hacia la Mérida tardoantigua de los siglos IV-VI d.C.