Compresa nel Complesso di Santo Stefano e comunicante con l'attigua Chiesa del Crocifisso, la Chiesa del Santo Sepolcro risale probabilmente al quinto secolo, ma fu ricostruita nel dodicesimo.
Il perimetro esterno della chiesa è ottagonale ma l'interno presenta un dodecagono formato da dodici colonne in marmo e laterizio che sorreggono la cupola.
Al centro si trova un'edicola che fino al 2000 ha custodito le reliquie di San Petronio, poi trasferite nella basilica a lui dedicata. Tradizionalmente la chiesa fu fatta costruire da San Petronio in modo da ricordare, soprattutto nell'edicola, il Santo Sepolcro di Gerusalemme.
Sette delle dodici colonne dovrebbero essere parte dell'antico tempio di Iside sul quale la chiesa venne costruita, così come la fonte d'acqua che sgorga all'interno dell'edificio. Una delle colonne, in marmo nero, rappresenta la colonna della flagellazione di Cristo.