Des fouilles réalisées entre 1939 et 1950 à l'initiative de Pie XII ont permis de mettre au jour une nécropole païenne que l'empereur Constantin fit combler pour construire la basilique primitive. Ce cimetière antique se compose de deux rangées de tombeaux (datés du 1er au 4e s.) et, séparé par un mur dit « mur rouge », d'un édicule du 2e s., appelé Trophée de Gaius, sous lequel on découvrit la tombe de saint Pierre. L'un des tombeaux renferme des mosaïques chrétiennes antérieures au 4e s.