À partir du milieu du IVe siècle, le site de la basilique est occupé de manière continue. Les fouilles y ont révélé la présence de plusieurs bâtiments à l'architecture de pierre. Un fossé de délimitation renfermait les rebuts d'un atelier qui fabriquait des épingles à cheveux en os. Cet ensemble de vestiges évoque une petite exploitation rurale. Ne serait-ce pas le vicus Catulacensis, le domaine d'un nommé Catullus, le plus ancien nom patronymique connu pour Saint-Denis ?

L'archéologie confirme également l'émergence d'une nécropole de la même époque. Dans ce cimetière, les corps reposent dans des cercueils de bois ou dans des sarcophages de pierre dont plusieurs réutilisent comme couvercle des chaperons chaperon
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bloc de pierre taillé protégeant le faîte d'un mur. bombés de murs romains.

C'est dans cette nécropole qu'aurait été inhumé, vers 250, Denis, le premier évêque de Paris. Dans la crypte archéologique de la basilique actuelle, une vaste fosse est considérée comme l'emplacement de sa tombe. C'est au-dessus de cette tombe, et en fonction de son axe, qu'est édifiée, au plus tard entre 460 et 480, la première basilique. Cet édifice remploie, dans ses fondations, des blocs sculptés qui durent être prélevés dans un mausolée gallo-romain, aux environs de Saint-Denis.

La tombe du martyr donne naissance à un pèlerinage. Pour la protéger de l'afflux des fidèles, on fait construire une clôture, ou chancel dont subsiste un pilier polychrome. Parmi les plus anciennes manifestations de la foi chrétienne à Saint-Denis, on doit citer
les antéfixes en terre cuite, ornements de toit qui représentent un masque humain surmonté d'une croix.

À partir de la fin du Ve siècle, les aristocrates francs choisissent Saint-Denis comme lieu de sépulture favori. Dans le sous-sol de la première basilique se développe leur nécropole. Les défunts – principalement des femmes – se faisaient enterrer dans des sarcophages de pierre, revêtus de somptueux costumes ornés de galons de broderie d'or et de bijoux en or et argent décorés de pierres précieuses, tel le grenat produit dans les mines d'Inde et du Sri Lanka.

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