Alcuni dei reperti ceramici, recuperati negli scavi del battistero, risultano databili in epoca certamente più antica della fondazione romana di Lucca; sebbene provenienti da strati posteriori, tali oggetti costituiscono al momento le uniche tracce in ambito urbano (Via Squaglia) di una possibile frequentazione dell'area precedente alla colonia del 180 a.C.
Le strutture più antiche conservate sono comunque riferibili alla prima fase di vita della città romana, tra l'età tardorepubblicana e la prima età augustea. Si tratta dei resti di alcune pavimentazioni relative agli ambienti di una domus, una ricca abitazione privata.
Un piccolo lembo di cocciopesto, decorato con crocette in tessere musive bianche e nere, è visibile nell'area occidentale del battistero, dove fu individuato dagli scavi degli anni '70; è assai probabile che si tratti di una porzione del pavimento, identico, asportato negli interventi ottocenteschi ed ora esposto al Museo di Villa Guinigi. Nel transetto settentrionale si conservano altri due lembi di pavimentazione in cocciopesto: uno arricchito da un emblema, realizzato con elementi lapidei policromi inseriti su un fondo di tessere di mosaico (scutulatum), l'altro, più semplice, di colore avana e privo di decorazioni.
In età imperiale, tra la fine del I e gli inizi del II secolo d.C., l'area subì certamente una radicale trasformazione: le strutture murarie e pavimentali individuate, sebbene di non facile interpretazione per inevitabili lacune, risultano comunque pertinenti ad un nuovo complesso edilizio con caratteristiche probabilmente non residenziali.
Nell'area del transetto settentrionale della chiesa sono visibili resti di murature e due basi di colonna, pertinenti ad un ambiente con porticato intorno ad una vasca; altre strutture murarie definiscono un corridoio nell'area dell'abside, e due vani a nord dell'ambiente colonnato.
Secondo un recente tentativo di ricostruzione, nel vano con colonne potrebbe essere riconosciuto un grande frigidarium, ambiente con vasca per i bagni freddi, e i resti di questa fase potrebbero quindi essere pertinenti ad un edificio termale. Più incerta è la lettura delle strutture individuate nell'area del battistero, dove comunque alcuni reperti ne indiziano ancora la possibile destinazione termale. È stata inoltre avanzata l'ipotesi che il primo battistero riutilizzi, con la semplice aggiunta delle quattro absidi perimetrali, un ambiente quadrangolare riferibile al precedente edificio romano.
Sebbene le ipotesi ricostruttive siano destinate a rimanere tali, è comunque evidente l'ampiezza e la complessa articolazione dell'edificio del II secolo d.C., molto probabilmente di carattere pubblico piuttosto che privato.
In età tardoantica, sulle strutture di età romana, probabilmente ancora ben conservate, vennero edificati la basilica paleocristiana, di cui si conservano alcuni tratti della pavimentazione a mosaico policromo, ed il battistero a quattro absidi. Sostanziali trasformazioni, documentate nel percorso archeologico, si ebbero poi nel corso dei secoli VIII, IX e X, fino alla costruzione, nella seconda metà del XII secolo, della nuova chiesa romanica, ormai sopraelevata di più di due metri rispetto alla basilica paleocristiana.