A partire dal IV secolo d.C., il complesso episcopale (composto da edifici di culto, palazzo del vescovo, diversi ambienti con funzione residenziale e amministrativa, vani di servizio, giardini e ospizi per poveri e ospiti) occupò lo spazio dove sono oggi il Duomo e la sua piazza, cancellando edifici pubblici e più antiche abitazioni signorili.
Esso divenne fin dall’origine il punto nevralgico della città insieme al palazzo imperiale. In concomitanza con la sua espansione, infatti, anche la viabilità cittadina tardoantica modificò quella romana al fine di garantire il collegamento tra questi due poli: sul cardo maximus (via Nerino, via Cantù, via Santa Margherita) cominciò a prevalere il cardo minore (corrispondente all’attuale via Torino), che divenne il principale asse stradale della città cristiana.
Le prime testimonianze scritte del gruppo cattedrale sono contenute in una lettera del vescovo Ambrogio alla sorella Marcellina, datata al 386 d.C. e riferita ai fortissimi contrasti con l’imperatore, che rivendicava la concessione di una chiesa da destinare al culto ariano. Il vescovo ambientò il resoconto tra basilica vetus, basilica minor, basilica nova e basilica baptisterii, senza menzionare i luoghi sacri con la loro intitolazione (consuetudine all’epoca non ancora in uso). Questo ha generato alcune incertezze da parte degli studiosi sull’originaria organizzazione degli spazi del primitivo complesso. Gli scavi archeologici testimoniano comunque la presenza di almeno due cattedrali – Santa Maria Maggiore e Santa Tecla, tradizionalmente identificate come la basilica vetus e la basilica nova – e altrettanti battisteri: Santo Stefano e San Giovanni alle Fonti.
A partire dalla fine dell’Ottocento, molti sono stati gli interventi nel sottosuolo di piazza Duomo, spesso con gravi perdite: i principali edifici paleocristiani e medievali sono stati rinvenuti durante lavori edili, infatti, senza che ci sia mai stata una pianificata indagine in estensione dell’area. Depositaria di questa memoria culturale e religiosa di Mediolanum è oggi solo una piccola area, corrispondente in superficie al sagrato del Duomo, che comprende la zona absidale di Santa Tecla e il battistero di San Giovanni. Infine, tratti della facciata romanico-gotica di Santa Maria Maggiore (la basilica vetus) si conservano nei sotterranei di servizio della Veneranda Fabbrica del Duomo, ma non sono accessibili al pubblico. La chiesa, fondata secondo le fonti medievali da Angilberto II (824-859), dovette essere probabilmente riedificata in sostituzione di una precedente paleocristiana.