Si affaccia sulla Piazza San Cosimo ed è dedicata al patrono della città. La Basilica è la chiesa più antica della Sardegna e risale al IV secolo a.C. Della struttura originaria è rimasto molto poco; gli elementi che si sono conservati nel tempo risalgono alla ristrutturazione fatta dai monaci nel XII secolo in stile proto-romanico. La chiesa e l'adiacente necropoli, che si estende anche sotto la chiesa di San Lucifero, è uno dei più antichi complessi paleocristiani della Sardegna. Sarebbe sorta come martyrium del martire cagliaritano Saturnino, decapitato secondo la Passio sancti Saturni il 23 novembre del 304 d. C. per non aver rinnegato la fede cristiana. Concessa nel 1714 alla corporazione dei Medici e degli Speziali, fu reintitolata ai santi Cosma e Damiano. Agli inizi del nostro secolo la chiesa subì diversi restauri. E’ stata riaperta nel luglio del 1996. L’area circostante, oggetto di scavi archeologici, ha restituito numerose sepolture di età romana e bizantina.