Храм был освящён 17 сентября 335 г., а главные его части, базилика и баптистерий, завершены раньше: их упоминает Бурдигальский итинерарий (Бордоский путник; 333 г.). Исследователи выделяют семь основных этапов существования храма как архитектурного целого: ранневизантийский период (с 325/326 г.), завершающийся частичным разрушением комплекса персами и восстановлением под руководством святителя Модеста (614–636 гг.); ранний исламский период (с 636 г.) до разрушения храма в 1009 г. халифом аль-Хакимом; реставрация храма в средневизантийский период (1009г. – 1050 гг.); перестройка и развитие храма в эпоху крестоносцев (1099–1149 гг.); постепенный упадок под владычеством мусульман (мамлюкского Египта, затем Османской империи; XIII–XVIII вв.); реставрации XIX – начало ХХ вв.:, работы греческого архитектора Николая Комнина (Комниноса; 1770–1821 гг.); противоаварийные работы и перестройка купола ротонды с участием России и европейских держав (1860 гг.); консервационные, реставрационные и исследовательские работы с периода британского мандата (1922–1948 гг.) до настоящего времени. Ранневизантийский период характеризуется сохранением общей планировки и деталей здания, построенного при императоре Константине. Данные письменных, археологических и иконографических источников указывают на то, что храм был построен на месте небольшой возвышенности вблизи Иерусалима, служившей каменоломней с IX в. до н.э. К началу римского периода карьер был заброшен и превращён в загородный сад, в склонах бывшего карьера были устроены гробницы. Вход в одну из гробниц, почитавшуюся как Гробница Христа, находился у подножия западного склона; в конце XIX в. вблизи её открыли ещё один склеп, получивший название «Гробница св. Иосифа Аримафейского». Храм Венеры, построенный на месте Голгофы императором Адрианом, локализуют с северной стороны открытого форума, помещаемого в северо-восточной точке пересечения главных улиц города. Исследователи полагают, что на форуме стояла и городская базилика. При раскопках обнаружены остатки поздних римских кладок, которые исследователи готовы отнести к этим зданиям, но сведения о них для них неясны, поскольку при интенсивных работах эпохи императора Константина ранние строения были уничтожены. По мнению исследователей, тогда же были частично срыты склоны западной возвышенности, вокруг погребальной пещеры Спасителя и Голгофы, чтобы выделить их как объекты почитания. Фундаменты базилики Адриана частично использовали в субструкциях нового христианского храма. Общая площадь комплекса в IV в. была близка к 1,4 га. В нём исследователи выделяют следующие структуры, описанные ещё Евсевием Кесарийским: Анастасис (Гроб Господень и окружающая его ротонда); Трипортик (внутренний двор, обведённый колоннадой с севера, востока и юга); так называемый Мартирий (базиликальная церковь); атриум (главный двор перед церковью, выходящий на главную улицу (кардо максимус). Вход в храмовый ансамбль находился с восточной стороны от кардо максимус, широкие ступени (изображены на мозаичной карте из Мадабы) вели к первому атриуму, откуда через три входа, центральный и два боковых (обнаружены два проёма), можно было попасть в Мартирий.