Восточная и южная стороны сохранили связь со склоном горы, причём скала на юге возвышалась над садом в виде пика – место, идентифицируемое ныне как Голгофа. При строительстве римского города сад и прилегающие каменные гряды вновь засыпали большим слоем грунта, подняв уровень до первоначальной отметки склона и создав искусственную платформу, на которой был возведён Капитолий. Согласно церковному историку Евсевию Кесарийскому (около 263 – 340 гг.), находящаяся рядом с Голгофой гробница Спасителя была засыпана при строительстве языческого храма. Иероним Блаженный сообщает, что на месте распятия Спасителя при императоре Адриане была возведена статуя Венеры. Раскопки фиксируют множество элементов, связанных с организацией теменоса (священного участка) Капитолия эпохи императора Адриана, его сносом и возведением комплекса эпохи императора Константина. Находки предметов, относящихся к языческим культам, позволяют локализовать на Голгофе небольшое святилище при храме Венеры: восточнее скалы Голгофы в строительной подсыпке найдена монета императора Гелиогабала, небольшой алтарь для возлияний, головка женской статуэтки из глины, глиняная рыбка и др.; по мнению исследователей, эта засыпка датируется временем уничтожения языческого святилища. Голгофа была вновь откопана и стала объектом почитания при императоре Константине I Великом. Под контролем Иерусалимского епископа Макария I (312/314 – 333/334 гг.) в 325 г. Капитолийский храм и теменос были снесены, их остатки удалены, а садовая терраса с памятниками евангельских событий архитектурно оформлена. В скальном участке склона с запада открылись две древние гробницы, а на южной стороне над общей поверхностью выступила скала Голгофы. Для того чтобы изолировать гробницу Христа, её отделили от массива скалы с запада и севера, окружили ротондой храма Воскресения и построили рядом здание епископии Иерусалима; сохранившиеся возвышенности с востока и юга подтесали, создав род четырёхсторонних пилонов. В результате общая топография этого участка при императоре Константине I Великом существенно изменилась: Голгофа стала возвышаться одиноким утёсом на фоне стен грандиозной базилики и была видна с южной и восточной сторон трипортика (внутреннего двора базилики, с трёх сторон окружённого колоннадой). Базилика получила название Мартириум («место свидетельства»). Паломница Эгерия (конец IV в.) пишет о «большой церкви, которая зовётся Мартириум..., потому что находится на Голгофе, то есть за Крестом, где пострадал Господь». Раскопки показали, что западная стена южного нефа Мартириума перекрывала прямой доступ к скале Голгофы. Строители окружили свободно стоявшую Голгофу округлой или многоугольной в плане кладкой, по линии которой расположили ограду, покрытую золотом и серебром, упоминаемую паломниками (при этом использовали одну из стен эпохи императора Адриана, которая обеспечивала устойчивость скалы). Согласно Иерусалимскому бревиарию (начало VI в.), на вершине скалы был водружён золотой крест, украшенный драгоценными камнями, пожертвованный византийским императором Феодосием II около 427 г.