La basilica paleocristiana di San Leucio fu edificata su un preesistente tempio di età ellenistica, di cui utilizza il podio come fondazione reimpiegando anche alcuni blocchi dei muri della cella e alcune colonne. Il complesso fu scoperto nel 1925, e sottoposto a diversi interventi di scavo negli anni '30 e '60 culminati in un discutibile restauro che ha cementificato le emergenze architettoniche rendendo a volte difficoltosa la lettura del monumento. Il tempio italico, quasi sicuramente dedicato ad Athena, presentava uno schema architettonico di tipologia tuscanica, a pianta rettangolare di grandi dimensioni con la cella dedicata al culto posta fra due ampi ambienti, le cui trabeazioni poggiavano su possenti telamoni, colonne in stile dorico-ionico con capitelli figurati in tufo intonacato e dipinto di fattura magno-greca. Secondo le ipotesi più recenti il tempio ellenistico sarebbe stato edificato in un periodo compreso tra il III sec. a.C. e lo scorcio del II sec. a.C. sulle vestigia di due precedenti edifici di culto, databili al VI-V sec. a.C. e a fine IV-inizi III sec. a.C. La trasformazione da tempio pagano a basilica cristiana avvenne verosimilmente in età paleocristiana ma non è possibile accertare le condizioni in cui versava l’edificio ellenistico al momento del rifacimento. In una fase iniziale, la chiesa si componeva di un muro perimetrale di forma quadrata con quattro absidi semicircolari; al suo interno si sviluppava un secondo quadrato dalle pareti più spesse ma ugualmente interrotte da quattro absidi semicircolari colonnate. Questo tipo d'impianto planimetrico, cosiddetto a 'doppio involucro', è di evidente ispirazione orientale e potrebbe essere identificata con l'edificio dedicato ai Santi Cosma e Damiano, ricordato dalle fonti agiografiche; a questa primo periodo di vita della chiesa, culminata negli interventi di epoca sabiniana (VI sec. a.C.) si riferiscono i mosaici con motivi geometrici e temi della simbologia paradisiaca nell'area delle esedre e dell'abside. In una seconda fase, intorno alla fine del VII sec., a seguito di gravi crolli probabilmente dovuti ad eventi sismici, si procedette a frettolosi restauri con l’aggiunta di quattro pilastri con colonne, al centro del quadrato centrale, che determinarono una nuova pianta a croce inscritta in un quadrato. Il diffondersi del culto per il vescovo di Brindisi Leucio, le cui spoglie furono trafugate da marinai tranesi, fu, verosimilmente, l'origine della nuova dedicazione della chiesa, dalla quale poi prese il nome tutta la zona. Nell’ultimo periodo di utilizzo (VIII-IX sec.) fu realizzata una cappella absidata lungo il muro meridionale, nelle cui vicinanze sono stati rinvenuti sarcofagi in tufo e tombe a fossa con elementi tipicamente longobardi