La historia del edificio ha sido perfilada en fecha reciente por los arqueólogos e historiadores Bienes Calvo, Caballero Subiza y Hernández Vera, que distinguen tres etapas constructivas.
En un primer momento, tan sólo se realizaron algunas obras provisionales sobre el recinto islámico.
En la segunda campaña, que discurre entre 1175 y 1198, auspiciada por el traslado promovido pocos años antes por Alfonso II de Aragón a la catedral metropolitana del cráneo de San Valero —venerado hasta entonces en Roda de Isábena— se construyen la cabecera y el hastial de poniente con sus dos torres.
Finalmente, entre 1224 y 1235, se levantaría un nuevo crucero. Después, las obras se paralizaron hasta él siglo XIV, cuando ya imperaba el estilo gótico, ante la grave crisis económica que supuso la conquista de Valencia para el reino aragonés.
La primitiva basílica románica constaba de tres naves con otros tantos tramos (la central más alta y ancha), una amplia cabecera con un profundo ábside flanqueado por dos absidiolos más pequeños y sendas capillas cuadradas abiertas al transepto. Con sus cinco altares, su planta resultaría muy similar a la de edificios que aún se conservan en la actualidad, como la colegiata de Tudela,y las catedrales de Lérida y Tarragona.
De la fábrica original hoy sólo subsisten los ábsides mayor y del evangelio hasta el arranque de las cubiertas, así como diversos relieves de ancianos apocalípticos con redomas e instrumentos musicales que quizás decoraron la puerta, de considerables dimensiones, que se abría en la fachada torreada de poniente. Próximos estéticamente al apostolado de San Trófimo de Arles, y dispuestos al parecer en un friso y no sobre las arquivoltas, estos Ancianos acompañarían a un Pantocrátor con el Tetramorfos.
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