Галльская паломница Эгерия (конец IV в.) подробно описывает многолюдную процессию и службу на Елеонской горе в ночь с четверга на пятницу Страстной седмицы и упоминает «прекрасную церковь» в Гефсимании: «Когда запел петух, все покинули Imbomon (место Вознесения) и спустились с песнопениями ниже, к месту, где Господь молился... и епископ со всем народом вошёл в прекрасную церковь, которая там построена, и сотворили приличествующую месту и дню молитву с подобающим пением. Затем читалось Евангелие, где Он говорит ученикам: «Следите, дабы не впасть вам во искушение», а по окончании чтения снова молились». После этого процессия двинулась в Гефсиманию, которая была освещена 200 подсвечниками, и где читалось Евангелие о взятии Христа под стражу, а затем направилась в город. Иероним Стридонский (390 г.), редактируя текст Евсевия, добавляет, что на месте Гефсиманской молитвы была поставлена церковь. Гефсимания изображена на мозаичной карте из Мадабы (вторая половина VI в.). Иерусалимский Бревиарий VI в. отмечает, что в этой церкви раньше происходили исцеления после омовения, и упоминает другую церковь в Гефсимании, где находилась гробница Пресвятой Богородицы, а также место предательства Христа Иудой Искариотом и место Тайной вечери (традиционно считается, что Тайная вечеря произошла в доме апостола Иоанна Богослова на горе Сион). В итинерарии Феодосия (около 530 г.) перечислены место предательства, церковь Пресвятой Богородицы и место Тайной вечери: «Там есть четыре ложа на месте, где Господь возлёг среди апостолов, и на каждом ложе помещается по три человека. Ныне некоторые из благочестия, придя туда, предпочитают иметь там трапезу (но без мяса) и возжигают светильники там, где Господь омыл ноги ученикам. Это место в пещере, и там сейчас двести монахов». Паломник из Пьяченцы (около 570 г.) упоминает три ложа на месте, «где был предан Господь», а Аркульф (около 670 г.) – пещеру с четырьмя каменными столами и двумя цистернами. Последним в 724/725 г. упоминает церковь Виллибальд (примерно через 20 лет она была разрушена землетрясением). В 1909 и 1919–1920 гг. на принадлежащем ордену францисканцев участке в Гефсимании Studium Biblicum Franciscanum провёл раскопки под руководством Г. Орфали, вскрывшие остатки двух перекрывавших друг друга храмов, апсиды которых врезаны непосредственно в склон горы. Оба храма – 3-нефные базилики с невыраженными боковыми апсидами, но центральная апсида верхнего храма – 3-гранная, а нижнего – круглая. План нижнего (раннего) храма очень вытянутых пропорций, с семью парами колонн, линии которых продолжаются через нартекс в атрий, где стоят ещё четыре колонны. Размеры храма – 20×16 м. В храме прослеживаются два уровня мозаичного пола византийского периода с геометрическим орнаментом. Исследователи посчитали интересным, что, хотя оба храма врезаны апсидами в скалу (у раннего из скалы вытесана даже часть южной стены), они имеют разную ориентировку осей: нижняя церковь отклонена на 13° к северу от строго восточного направления, видимо, для того, чтобы ось проходила через большой скальный выступ в апсиде и лежащий на нём обломок скалы, который служил престолом. По всей видимости, этот камень почитался как место Моления о Чаше. Так считал и Луи Юг Венсан (1872–1960 гг.), датировавший храм эпохой императора Феодосия I (379–395 гг.), о чём говорят архитектурные детали, однако исследователи не исключают более раннюю дату. В западной части сооружения, вокруг атрия, сохранились остатки обширной (11×18 м) пещеры с четырьмя внутренними опорами. В ней открыт обломок масличного пресса и цистерна для воды, что свидетельствует о хозяйственном использовании пещеры в римское время (около 199–200 гг.).