La Passion, écrite au début du cinquième siècle, raconte que le taureau, pris d'une rage folle, descend à toute allure les marches de l'escalier monumental du Capitole, traînant derrière lui l'évêque. Son cou se brise dès les premiers mètres. Des fouilles récentes situent ce temple païen à l'emplacement actuel de la place Esquirol.

Le taureau aurait rejoint la campagne en passant par la porte nord de la ville, alors protégée par des remparts. Il aurait abandonné saint Saturnin sur la route de Cahors, la rue du Taur (pour taureau), lui donnant ainsi le nom qu'on lui connaît aujourd'hui.

Le corps sans vie du malheureux fut recueilli par les saintes Puelles, deux jeunes femmes. Elles l'inhumèrent à l'endroit exact où son corps fut trouvé, dans un fossé assez profond pour que les païens ne puissent pas profaner la dépouille. Le taureau sera achevé un peu plus loin, au lieu nommé depuis Matabiau (de matar = tuer et biau = bœuf). Saint Saturnin est alors un des premiers et rares évêques martyrs en Gaule, ce qui explique peut-être sa popularité dans toute la Gaule.

Après une période de latence, son culte se développa très rapidement sous l'impulsion des premiers évêques toulousains. Saint Hilaire, évêque au quatrième siècle (358-360), fit construire une petite église en bois, un oratoire, sur la tombe du martyr. Cette église devint bientôt un important lieu de pèlerinage : appelée Notre-Dame-de-Saint-Sernin jusqu'au XVIe siècle, on la connaît aujourd'hui sous le nom de Notre-Dame-du-Taur.

A la fin du IVe siècle, devant l'afflux des fidèles, l'évêque saint Sylve (360-400) décide de construire un édifice plus grand, achevé en 402 sous l'épiscopat de saint Exupère (400-). Cette basilique Saint-Sernin primitive correspond à la crypte supérieure de la basilique actuelle.

Entre 403 et 408, saint Exupère organise le transfert des reliques du premier martyr toulousain dans la nouvelle basilique. A cette occasion, il fait rédiger les actes officiels du martyre (connus sous le nom de Passio antiqua), sous forme d'un panégyrique reprenant vraisemblablement des textes antérieurs. D'une très grande sobriété, ils peuvent être considérés comme un des documents les plus vénérables de l'Eglise des Gaules, aux côtés des actes des martyrs de Lyon.

Relayé par quelques grands écrivains mérovingiens (Césaire d'Arles, Grégoire de Tours, Fortunat, etc.) le culte de Saturnin se répand dans toute la Gaule, principalement à l'intérieur des limites du royaume wisigothique, mais aussi dans le reste du territoire. On voit se fonder des églises sous son patronage, des reliques circuler et devenir elles-mêmes objet d'un culte propre. A Toulouse, un pèlerinage s'organise autour de la basilique élevée par saint Sylve. Mais le pèlerin qui vient se recueillir sur sa tombe est fortement incité à visiter les autres lieux honorés de son souvenir : celui de son supplice et celui de sa première sépulture. Dans chaque église où son nom est invoqué, on prend soin de réunir un dossier contenant non seulement les textes destinés à l'édification des fidèles, mais aussi les pièces liturgiques nécessaires à la célébration de son office. Ces dossiers sont communément désignés sous le nom de libelli. D'existence fort ancienne, ils étaient constitués pour la commodité du culte et la diffusion de la dévotion envers un saint particulièrement vénéré dans un centre de pèlerinages. Les pèlerins les emportaient volontiers avec eux, pour garder un témoignage de leurs dévotions. Beaucoup de ces libelli ont disparu à cause de leur fragilité due à l'usure. Le dossier de saint Saturnin contenu dans le manuscrit de la Bibliothèque nationale (Nouv. Acq. Lat. 613) en est un des plus précieux, car il nous donne l'intégralité des trois légendes qui ont été composées en l'honneur de Saturnin, en respectant leur ordre de création.

Au début du IXe siècle, se constitue à Saint-Sernin une communauté de chanoine réguliers. Ce n'est qu'en 1080 qu'est commencée la construction de la basilique romane actuelle. Le 24 mai 1096, le pape Urbain II, venu demander au comte Raymond de conduire la première croisade, consacre l'autel et la basilique. (Cinq ans plus tard, en Catalogne, l'église Sant Sadurní de Castellví de la Marca est consacrée le 29 avril 1101, en mémoire du « martyr évêque de Toulouse de Languedoc ».) Le tombeau de saint Saturnin sera élevé dans un baldaquin gothique construit entre 1258 et 1265. L'opération se répètera au XVIIIe siècle dans le baldaquin baroque.

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