Surge del martirio de los legionarios romanos Emeterio y Celedonio decapitados según la tradición hacia el año 300 en el mismo lugar donde hoy está emplazado el templo. La veneración del martirio explica su emplazamiento, a extramuros de la ciudad, en su parte baja y a orillas del río Cidacos.
Cuando el emperador Constantino proclamó en el año 313 la libertad de culto en el imperio con el edicto de Milán, acabaron las persecuciones de quienes no compartían la veneración por las deidades romanas. La comunidad cristiana calagurritana pudo dejar de esconderse para celebrar sus reuniones y honró la memoria de sus Santos Mártires con la construcción, ya en la segunda mitad del siglo IV, de una pequeña basílica junto a la que, en el mismo lugar en el que los dos hermanos habían nacido a su nueva vida junto a Cristo, se levantó un baptisterio (Heron o martyrium).
Los archivos catedralicios confirman que en torno al 714 las tropas de infieles dirigidas por el emir Muza ibn-Nusayr ocuparon la Weled Assiqia (la Tierra de las Acequias) a la que pertenecía Calahorra, junto a la mayor parte de la actual Rioja Baja.
A lo largo del siglo VIII los cristianos fueron víctimas de los castigos y persecuciones a los que les sometieron los recién llegados. La opresión obligó a que, hacia finales de la centuria, el obispo Teodomiro hubiera de vivir en Oviedo, en el exilio. Desde allí, al amparo de la corte del rey, continuó la dirección de la diócesis en el siglo IX, durante el que otros dos de los obispos calagurritanos también recibieron allí asilo real.
La situación se recrudeció en Calahorra cuando, en el siglo X, Mutarrib al-Morrid mandó que se destruyese la catedral de la ciudad en un intento por doblegar y someter a sus pobladores. En el año 914, dada la difícil situación en la que se encontraban los cristianos de la capital de la Ribera, se decidió que Nájera, siempre atenta al modelo establecido por la diócesis de Calahorra, a la que nunca suplantó, se ocupase de velar por los creyentes de la región hasta que la sede principal volviese a manos cristianas.
La destrucción de este templo cuando la ciudad cayó en manos árabes no impidió que los calagurritanos mostrasen su respeto por los Santos. Continuaron transmitiendo la veneración que sentían por sus hazañas y milagros, generación tras generación, de tal forma que tan pronto como el rey de Navarra, Don García de Nájera, reconquistó la ciudad para la cristiandad en el año 1.045, se erigió nuevamente un templo, esta vez de estilo románico, en el mismo lugar donde tiempo atrás estuviera el baptisterio antes de ser destruido por los árabes.
El temor a que la ira de los infieles pudiese acabar por completo con las reliquias de los nobles hermanos animó a que, tan pronto como se sintió el acecho de los hombres del Islam, un grupo de calagurritanos partiese hacia el norte con las Cabezas de los Santos para ponerlas a salvo tras las montañas. Los peregrinos avanzaron hacia Cantabria. Los viajeros se detuvieron en Somorrostro (cuya estratégica situación frente al mar ya había propiciado con anterioridad la ocupación romana) y en la cima del cerro fundaron una abadía, que llegaría a transformarse en Catedral y, en torno a la cual, con el tiempo, comenzó a desarrollarse un núcleo de población que tomaría el nombre de uno de los Santos Mártires para darse a conocerse como Santander.
En el 1076 el Cid (con la bendición de los otros dos blasones de España, San Emeterio y San Celedonio) hizo posible que la ciudad se uniese a Castilla. Lejos del peligro árabe, la diócesis de Calahorra recuperó su antigua posición como cabeza de la comunidad de fieles entre los que predicar la fe en el Dios único y verdadero, que se conocía en la región desde que cientos de años antes su fundador Tubal predicase, al igual que lo hiciese en tierras cántabras y otros puntos de la Península Ibérica, las enseñanzas de la fe de su abuelo Noé. De nuevo erigida como sede espiritual, la diócesis de Calahorra vio aumentar sus proporciones al recibir la anexión de los territorios de la diócesis de Álava, que le correspondían según una extraña interpretación de la división visigoda de Wamba. Más adelante sus límites llegaron a extenderse hasta incluir parte de Burgos y Vizcaya y, en varios momentos de la historia, los ojos de la cristiandad la miraron con atención. Durante la Edad Media la influencia de la diócesis se dejó sentir en diversos puntos de España, por donde se propagó el culto y la devoción hacia los Mártires de Calahorra, como lo demuestran las iglesias, monasterios y altares erigidas bajo su advocación.
Algunos siglos después, la paz y la prosperidad de la ciudad proporcionó a sus habitantes los medios necesarios para comenzar la construcción de la que, con el tiempo, se convertiría en el magnífico edificio que admiramos hoy. Las obras comenzaron en el año 1484 y se prolongaron durante más de 200 años, de manera que sus capillas, retablos, así como el resto de los elementos del templo reflejan los desarrollos culturales y artísticos que tuvieron lugar en la región a lo largo de las obras, si bien no se ha conservado ningún resto románico.
El actual baptisterio ocupa la superficie en la que se erigió la primera iglesia de nuestra comunidad y, dentro de él, la grandiosa pila lobulada de estilo gótico (Pila de los Santos) se sitúa en el emplazamiento original en el que tuvo lugar el martirio.
La fachada principal es de estilo barroco, construida entre 1680 y 1704 por los hermanos Raon. El último cuerpo y el frontón en estilo neoclásico fue añadido por Antonio de Beriñaga en el 1772. A su derecha se encuentra la torre, más antigua que el edificio y de sección rectangular, consta de ocho cuerpos. Los cinco inferiores son medievales, los dos siguientes de sección decreciente son renacentistas y el último se edificó en el siglo XIX y es una torreta de ladrillo con cuatro pináculos en las esquinas.