Sorta come Martiryum del martire cagliaritano Saturnino, la basilica venne donata nel 1089 ai monaci Vittorini di Marsiglia, che vi istituirono un priorato e ristrutturarono la chiesa secondo i canoni del romanico provenzale. Nella prima metà del 1300, durante l'assedio catalano, il monastero venne gravemente danneggiato, cadendo del tutto in rovina un secolo dopo. La chiesa fu restaurata nuovamente intorno al 1484. Intorno al 1614 ebbero inizio gli scavi per la ricerca dei cosiddetti "corpi santi" (reliquie di martiri o presunti tali), mentre nel 1669 la basilica fu in parte smantellata per ricavarne materiali utili alla ristrutturazione della cattedrale. Nel 1714 la chiesa fu concessa alla corporazione dei Medici e degli Speziali, che la intitolarono ai protettori SS. Cosma e Damiano. Danneggiata durante i bombardamenti del 1943, subì in seguito vari restauri, fino ad essere nuovamente riaperta al culto nel 1996.