La première église paléochrétienne, découverte par Fernand Benoît, est complétée par une église dont l'emprise de la nef atteint une trentaine de mètres. L'abside extérieure est polygonale à pans coupés, à l'intérieur un mur très épais se termine par des pilastres. Les murs était recouverts à l'origine d'un placage de marbre. Dans le couloir intermédiaire, entre cette abside à pans coupés et l'abside semi-circulaire, a été dégagée une partie du dallage en mosaïque composé de médaillons et d'entrelacs. Les documents du 6ème siècle donnent des indications sur le groupe épiscopal et la règle monastique. Ces indications laissent supposer que ce lieu comprenait la première église d'Arles. Cette cathédrale est abandonnée dès le 6e siècle au profit de la cathédrale Saint-Trophime, subissant alors des destructions.
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