L’évêque de Langres, Brunon, demande à Mayeul, l'abbé de Cluny, d’envoyer des moines d’élite à Saint-Bénigne. Douze moines arrivent à Dijon le 24 novembre 989. En 990, Guillaume de Volpiano, abbé de Cluny, est nommé abbé. Les bâtiments menacent de tomber en ruine. Le 14 février 1002, la première pierre des nouveaux bâtiments est posée. Guillaume dirige lui-même les ouvriers venus d’Italie. Il s’agit de construire trois sanctuaires sur l’emplacement des constructions du IXe siècle composés d'une église souterraine, de l'abri du tombeau de saint Bénigne, d'une église au niveau du sol pour le culte, d'une rotonde au chevet des deux églises de trois étages. Ces trois constructions couvraient une longueur de cent mètres et une largeur de vingt cinq mètres. L’étage inférieur de la rotonde est le seul vestige actuel de cet ensemble.