La chiesa attualmente è il risultato dell’innesto di due campate e due absidi ai quattro bracci,con volta a botte, di una chiesa a pianta cruciforme dell’alto medioevo.

Numerosi gli interventi edilizi come testimoniano la prima campata e la facciata aggiunte nel seicento.Le catacombe di Sant’Antioco, unico esempio in Sardegna, risalgono agli anni tra il sec IV e il VII. d.c. e furono costruite sotto l'attuale basilica di Sant'Antioco Martire dove i cunicoli sotterranei si ampliarono seguendo gli scavi precedenti di alcune tombe puniche. L’ingresso della catacomba del santo è nel transetto di destra della Chiesa, scendendo i gradini ci troviamo in un ambiente con volta sorretta da sei colonne riutilizzo di artefatti romani, al centro del quale si situa il sarcofago-altare dove si ritrovarono le supposte spoglie del Santo.