L’altro edificio importante sempre finanziato da Costantino è la chiesa del Santo Sepolcro, abbinato ad un martyrium che è la rotonda dell’Anastasys (ovvero la tomba della resurrezione), in questo santuario quindi si ripete una formula della natività di Betlemme, ovvero il complesso religioso è formato da una basilica e da un martyrium (che sorge sul luogo dove c’era la presunta la tomba dove risorge Cristo). Questa sepoltura era stata segnalata a Sant’Elena nel cuore della vecchia Gerusalemme (di impianto romano); proprio in corrispondenza del cardo era stata individuata la tomba, per questo Costantino incarica il vescovo di Gerusalemme per le spese che poi gli avrebbe rimborsato. Una fonte riporta che gli architetti incaricati dell’opera erano Zenobio ed Eustazio di Costantinopoli; venne iniziata nel 325 e nel 336 venne consacrata.
La chiesa nasce compresa tra il vecchio cardo romano ed una strada parallela (occupando l’intero lotto rettangolare), la sistemazione attuale è molto diversa dall’originale, ma si trova ugualmente sul monte Golgota, luogo dove fu crocifisso Cristo, non a caso in questa zona prossima alla chiesa del Santo Sepolcro (a circa 30 metri) si trova anche il calvario (dove viene issata la croce) a cui fu data una forma cubica. Tra il luogo della sepoltura e la strada ci sono circa 120 metri e in questo spazio sono posizionate le chiese vincolate nella determinazione della larghezza dalla presenza del calvario, quindi la chiesa deve necessariamente svilupparsi in lunghezza (contravvenendo in parte alle regole delle chiesa costantiniane che sono abbastanza tozze nelle loro proporzioni).
La tomba dove fu sepolto Cristo fu scavata dopo esser stata ritrovata e poi isolata, l’insieme assume quindi una forma di cono, che viene circondata da una rotonda di colonne (dodici come gli apostoli). Questa era la sistemazione originaria, dinnanzi alle colonne era situato un portico ad U, in modo che la sepoltura ed il calvario fossero direttamente in comunicazione, mentre sul lato orientale del portico viene costruita la basilica, corta e larga, con la sua abside semicircolare, che arrivava fino alla strada, in seguito si aggiunsero strutture successive.
Non abbiamo notizie sicure relative alla forma della chiesa così come appariva in quell’epoca ad eccezione degli scritti di Eusebio di Cesarea (biografo di Costantino) che la descrive come ricchissima di ornamenti ed accentua questo contrasto con l’esterno molto sobrio. La fonte ci dice che la navata centrale appoggiava su colonne ed ad essa erano affiancate due navatelle più piccole, questa a loro volta erano divise da pilastri o da colonne più piccole che poggiavano su alti plinti; non si sa se il muro della navata principale presentasse finestre, ma si sa che il soffitto era a cassettoni; tutto questo stipato in una struttura che era una terzo la basilica lateranense.
Anche in questo caso abbiamo l’abbinamento tra la basilica ed il martyrium, abbinamento che venne curato in quanto il collegamento sono funzionali alle processioni che venivano fatte nel complesso (il corteo sostava nella basilica, nel calvario e nella rotonda), questa idea è fondamentale perché vedremo che si conserva anche nelle basiliche successive (infatti l’alto medioevo, per motivi ideologici, riprenderà questo sistema, ampliando questi caratteri).