La existencia de la necrópolis bajo la basílica se conocía desde el siglo XIX. En 1859, Viollet-le-Duc emprendió los primeros grandes trabajos de excavación bajo el altar mayor; el arquitecto descubrió una serie de sarcófagos, pero no sabemos qué pasó con las piezas descubiertas.
Casi un siglo más tarde, se reanudaron las exploraciones con una perspectiva más científica. Entre 1953 y 1976, Édouard Salin y Michel Fleury excavaron más de 60 tumbas. En 1974, el arquitecto jefe A.-J. Donzet protegió los trabajos de excavación inacabados instalando una rejilla y resaltando los restos que quedaban alrededor de la tumba de Denis. En esta excavación coexisten restos pertenecientes a varias épocas.
En los cimientos del edificio anterior a la basílica se encontraron bloques esculpidos reutilizados. Un friso con escudos (escudos en forma de media luna) los decora; podría haber pertenecido al mausoleo de un militar galorromano construido, más que probablemente en el siglo III, en una zona relativamente cercana a la basílica.
Sin embargo, la verdadera historia de Saint-Denis comenzó con Denis, evangelizador de los Parisii, descrito por Grégoire de Tours como uno de los siete obispos misioneros de Gaule; hacia el año 250, se dice que sufrió el martirio en París durante la persecución de los cristianos. Una tumba vacía, aún visible en el corazón de la cripta arqueológica, corresponde a la tumba del Santo. En el cementerio del siglo IV que creció en torno a este lugar de enterramiento, los cuerpos se depositaban en ataúdes de madera o sarcófagos de piedra, muchos de los cuales se utilizaban como cubiertas para los revestimientos murales romanos. Una de estas tumbas contenía una fíbula cruciforme característica de la vestimenta de los dignatarios de finales de la Antigüedad galorromana. En un lugar cercano al cementerio un taller producía alfileres de hueso.
La escala temporal entre estas antiguas tumbas y el antiguo edificio (una construcción de 9 m de ancho en su interior por más de 20 m de largo) sigue siendo controvertida. En la Vie de sainte Geneviève, escrita hacia el año 520, se habla de la construcción de una basílica hacia el 451-459 por parte de esta aristócrata parisina, hoy patrona de París. El santuario, puesto bajo la protección de Saint-Denis, dio lugar a una peregrinación. La afluencia de visitantes impulsó a los constructores de la nueva basílica carolingia a dotar al ábside, aún visible en la actualidad, de una cripta que permitiera a los fieles bajar al oratorio situado bajo el altar mayor, para rezar ante las veneradas reliquias.