Es el resto más primitivo de la catedral y está dividido en dos partes. El espacio más pequeño y profundo es lo que queda del martyrium visigodo de la segunda mitad del siglo VII. Una construcción que en origen tenía dos plantas: la iglesia en la parte superior (desaparecida) y la cripta en la parte inferior, (conservada parcialmente). Al fondo hay una triple arquería sustentada por dos columnas de capiteles corintios, de gran austeridad, que delimitaría la confessio o espacio para albergar las reliquias del mártir.
Cuatro siglos después, en 1034, se amplía la cripta con una construcción protorrománica compuesta por una nave reforzada con arcos fajones, que se remata en un ábside semicircular, abierto para conectar con la parte visigoda. Este espacio se debe al patrocinio de Sancho III el Mayor, rey de Navarra y conde de Castilla, -ayudado por su amigo Ponce, obispo de Oviedo-, al que la leyenda hace protagonista de una cacería detrás de un jabalí, que le permitió descubrir los restos sagrados de San Antolín en una cueva.