«Послание Лугдунской церкви» считается одним из важнейших источников по истории гонений на христиан во II в., однако некоторые исследователи высказывали сомнения в его достоверности. Так, Дж. У. Томпсон предположил, что Евсевий Кесарийский ошибочно датировал гибель Лугдунских мучеников; в действительности эти события произошли при императоре Аврелиане (270–275 гг.). Эта гипотеза подверглась критике. Ипполит Делеэ назвал сомнения в аутентичности «Послания» «совершенно неправдоподобными». Однако П. Нотен высказал мнение, что в тексте присутствуют интерполяции и недостоверные сведения. В «Послании» говорится, что легат попросил у императора указаний относительно того, как следовало поступать с римскими гражданами; ответ «христиан казнить, отрекшихся отпустить на свободу» не соответствовал вопросу наместника. По мнению П. Нотена, эти сведения были вставлены в текст, чтобы объяснить непоследовательное отношение легата к Атталу (его не подвергали пыткам, вместо казни провели по амфитеатру с «позорной» табличкой, но впоследствии по требованию толпы бросили на растерзание зверям). Исследователи полагают, что эпизод был выдуман автором «Послания», который стремился уподобить Аттала апостолу Павлу (это предположение также не получило поддержки большинства исследователей). С радикальной критикой «Послания» выступил Ж. Колен. По его мнению, Евсевий Кесарийский ошибочно локализовал гонение на христиан в Галлии; в действительности события произошли на Востоке. В «Послании» подчёркивается, что некоторые Лугдунские мученики говорили на латыни, но в Галлии использование латинского языка было естественным. Это уточнение, согласно Ж. Колену, имело смысл лишь в том случае, если Лугдунские мученики пострадали в таких местах, где говорили, в основном, по-гречески. Исследователь предположил, что описанные события произошли не в Галлии, а в Галатии. Епископ Потин и пресвитер Ириней возглавляли христианскую общину в городе Неоклавдиополь (Андрапа; ныне Везиркёпрю, иль Самсун, Турция); под Вьенной, упомянутой в «Послании», следует понимать Севастополь (ныне Сулусарай, иль Токат). Наместником, возглавившим процесс над Лугдунскими мучениками, был Аррий Антонин, которого Тертуллиан называл жестоким гонителем христиан. Когда Аррий Антонин был проконсулом Асии, он приговорил к смерти некоего Аттала, за что впоследствии был также осуждён по ложному обвинению. По мнению Ж. Колена, Аттал – мученик из Пергама, о котором говорится в «Послании». Сведения о Лугдунских мучениках впоследствии были положены в основу предания о Севастийских мучениках (против гипотезы Ж. Колена высказались почти все авторитетные исследователи). Одновременно с Ж. Коленом критическое отношение к «Посланию» выразил Александр Петрович Каждан, который считал, что текст был составлен в III в. в Малой Азии. Он пришёл к выводу, что «Послание» «изобилует нелепостями и противоречиями»; в нём содержатся «невероятные чудеса», а «картина реальной действительности... извращена». Эта гипотеза также не получила признания. К 1800-летию гибели Лугдунских мучеников в Лионе была проведена научная конференция (20–23 сентября 1977 г.), участники которой поддержали традиционную точку зрения на датировку и обстоятельства гибели мучеников.