Der Ursprungsbau des heutigen Dekagons stammt aus dem 4. Jh. Mitten auf einem römischen Gräberfeld vor den Toren Kölns entstand ein ovaler Monumentalbau mit Kuppel, der vermutlich als Memorialbau oder Mausoleum genutzt wurde. Aus der Zeit um etwa 350–365 stammen noch die weitgehend original erhaltenen Konchen, je vier auf der Nord- und Südseite des heutigen Dekagons, gerahmt von einem Narthex und Atrium im Westen und einem gerundeten Chor im Osten.
Gregor von Tours, einer der ersten Chronisten, erwähnt um 590 den Bau in Köln als eine Kirche mit bedeutendem Märtyrerkult und dem Namen „ad sanctos aureos“ - zu den goldenen Heiligen, was sich auf die kostbare Innenausstattung mit gold glänzenden Mosaiken in der Kuppel bezieht. Die Legende von Gereon und Gregorus Maurus als Anführer der thebäischen Legion entwickelte sich ab dem 7. Jh., als die Kirche bereits Begräbnisstätte der fränkischen Könige war. Im 10. Jh. baute eine in Köln entstandene Schrift, die sog. „Passio sanctorum Gereonis“, die Überlieferung der Thebäer massiv aus, in deren Folge der hl. Gereon zum Kölner Stadtpatron wurde (parallel zur Geschichte der hl. Ursula). Beide Kirchen wurden 1920 zur „Basilica minor“ ernannt.
Auf der Nordseite des Dekagons sind an zwei Stellen außen die römischen Ziegel des Ursprungsbaus sichtbar, und es ist ein Motiv der Sonne zu erkennen. Auf der Südseite sieht man innen Reste des ursprünglichen Mosaikfußbodens und Reste vermauerter Fenster.
