Segons la tradició, l’església del Sant Sepulcre es va construir durant el segle IV dC (326-335 dC) sobre la roca en què Jesús havia estat crucificat. La tradició però, suscitava dubtes, ja que els llocs de crucifixió es trobaven sempre extramurs i l’església es troba dins els murs de Jerusalem. L’estudi arqueològic de la ciutat i de les muralles revelà com la segona muralla, respecte la qual el Gòlgota es troba a l’exterior, dataria del final de l’època asmonea, confirmant-se la seva construcció completa sota el rei Herodes (37 aC), mentre que la tercera muralla, que l’englobaria, va ser construïda després de la mort de Jesús, sota el mandat d’Agripa (entre el 41-44 dC). Així, el Gòlgota estava extramurs.
Les excavacions en la zona de l’església també posaren de relleu la presència d’un temple romà dedicat a Venus-Afrodita sota l’església, així com la d’una basílica romana; i és que l’arribada de l’emperador Adrià (c. 131 dC) va suposar la reconversió de Jerusalem en una colònia, el canvi de nom de la ciutat per Aelia Capitolina, i la construcció de temples romans sobre els llocs de culte de la ciutat, tant cristians com jueus. La construcció d’un temple dedicat a Júpiter a la muntanya del Temple, i la del dedicat a Venus, serien exemples de la nova política implantada per Roma. La revolta de Bar Kokhbà (132-135) no va poder aturar els canvis i la derrota va suposar l’expulsió dels jueus de Jerusalem i la seva persecució, transformant la ciutat completament.
Amb la fi de la persecució dels cristians sota l’emperador Constantí, es van recuperar els llocs sagrats enderrocant els temples romans; i és fruit d’aquesta època l’església mil·lenària en la qual es troba el Gòlgota.