Sur le site de l'église, des recherches archéologiques menées dans les années 2000 ont permis la découverte de monuments de l'époque romaine, dont le théâtre de la ville antique. Les premiers sondages sont réalisés en 1990 et confirment la présence du théâtre en cet endroit. En 2002, la commune d'Aix-en-Provence se porte acquéreur de la zone à explorer, alors propriété des Sœurs du Saint Sacrement. L'année suivante, le monument est localisé et, en 2004, identifié par une campagne d'évaluation. Le théâtre antique d'Aix n'a perduré que jusqu'au Ve siècle environ. À cette date, son démantèlement avait été entamé et ses matériaux ont servi pour la construction de bâtiments divers qui ont peu à peu colonisé le terrain, jusqu'à en faire oublier l'existence, même si, dans les siècles qui suivent, et au moins jusqu'au Moyen Âge, les habitants du quartier de la Seds sont conscients de la présence du théâtre sous leurs pieds ; il est même probable que quelques vestiges émergent encore du sol. Des dénominations de rues, comme « rue des Arènes » en témoignent. Des documents médiévaux évoquent la présence de ce monument antique : cum carriera de Arenis (1344) et cum traversia qua itur ad arenas (même date). Un document du 6 juin 1344 signale une maison avec casal in arenis (« dans les arènes »).