À l'est d'un vaste méandre de la Seine, la topographie ancienne du territoire de Saint-Denis est formée d'un plateau (la Plaine) entrecoupé par des paléochenaux paléochenaux
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ancien bras d'un fleuve et des tourbières. Au sud, ce plateau est délimité par la butte Montmartre, alors qu'au nord le terrain est traversé par la vallée du Rouillon, un affluent de la Seine. En bordure de cette zone marécageuse, le relief est principalement formé par deux élévations : La plus importante, d'orientation nord-sud, domine la rive droite du fleuve ; elle forme un plateau emprunté par l'Estrée, la voie d'origine antique qui, venant de Paris, suit le cours de la Seine jusqu'à Rouen. La seconde, site où sera implantée la basilique, est un promontoire qui se dresse plus à l'est. Entre ces deux élévations, coule le ru de Montfort, un cours d'eau à faible débit.

Les terrains calcaires sont propices à l'agriculture tandis que les collines, sableuses, sont couvertes de massifs forestiers. Dans le sous-sol, les couches géologiques renferment du gypse, la "pierre à plâtre" qui sera exploitée depuis l'Antiquité jusqu'au XIXe siècle.
Les carrières se trouvent au sud, sur les flancs de la butte Montmartre, et, au nord, sur ceux de la butte Pinson. La pierre de taille, extraite du calcaire grossier des environs de Carrières-sur-Seine (anciennement Carrière Saint-Denis) sera abondamment utilisée dans la construction locale, tout au long du Moyen Âge ; son acheminement s'effectuait par bateaux sur la Seine. La rive droite du fleuve est, en effet, longée par un chemin de halage. D'après les sources écrites, les bateaux accostent soit en aval de l'embouchure du Rouillon, au port de la Briche, soit en amont, aux lieux-dits Vieux Port et Port aux Poireaux. Entre ces deux sites un haut fond barrant le cours du fleuve s'étend de l'Île Saint-Denis à la Maison de Seine.

Les premières traces d'occupation humaine remontent au néolithique ancien néolithique ancien
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période entre 4700 et 4000 avant J.-C. Près de la basilique, une sépulture isolée, quelques fosses de stockage liées à un habitat et des aires de débitage de silex attestent une occupation plus sporadique. La Plaine est peut-être la première zone défrichée ; l'avènement de l'agriculture y est particulièrement bien illustré par la découverte d'un dépôt de meules associé à des céramiques. L'Âge du fer Âge du fer
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désigne, à l'origine, une période de la protohistoire européenne caractérisée par l'usage de la métallurgie du fer. On doit cette appellation au chercheur danois C. J. Thomsen. Aujourd'hui, il est admis que cette période succède à l'Àge du bronze. Dans le nord de l'Europe, l'Àge du fer débute vers 750 avant J.-C. et se termine en 52 avant J.-C. est documenté par plusieurs fosses de stockage renfermant des poteries. Sur le flanc nord de la vallée du Rouillon on a pu étudier un établissement rural de la Tène finale la Tène finale
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site fouillé en Suisse, sur le lac de Neuchâtel désignant la période qui débute vers 450 avant J.-C. et s'achève en 52 avant J.-C. Elle se décompose en trois phases : La Tène ancienne, La Tène moyenne, La Tène finale entouré d'un fossé.

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