La basilique Saint-Sernin est la plus importante des églises romanes d'Occident (et par voie de conséquence du monde). De forme en croix latine, elle est en fait une collégiale édifiée par les chanoines du bourg Saint-Sernin à partir du XIè siècle pour remplacer un précédent édifice. Le projet monumental s'explique à la fois par le succès rencontré par le culte des reliques de saint Saturnin (ou Sernin), évêque martyr du IIIè siècle, et par le dynamisme du bourg qui profite de sa situation d'étape privilégiée sur le chemin de Saint-Jacques-de-Compostelle. C'est aussi un moyen pour les chanoines, soutenus par la papauté réformatrice, de s'opposer aux deux autres pouvoirs de la ville, le comte et l'évêque.

L'église Saint-Sernin a été construite majoritairement en briques avec une utilisation limitée de la pierre (rare en région toulousaine). Elle mesure 115 m de longueur totale, 32,52 m de largeur de nef et 64 m au transept. La voûte en berceau (style roman) s'élève à 21,10 m tandis que la hauteur des bas-côtés atteint respectivement 9,55 m et 7,30 m. Le transept et l'abside sont garnis d'absidioles qui donnent à l'édifice une de ses originalités. A l'autre extrémité, le portail paraît massif en dépit de sa grande rosace et de ses deux grandes portes ; il faut dire que la construction qui s'est étalée sur plus d'un siècle n'a pas permis d'édifier les deux grandes tours dont on devine les bases. Le clocher de forme octogonale, terminé par une flèche (qui culmine à 65 m), est un des points d'accroche du paysage toulousain ; reconstruit en partie au XIIIè siècle, il a intégré pour ses deux derniers étages les progrès spécifiques au style gothique.

Le pape Urbain II consacra en 1096 l'église encore incomplète (seuls l'abside et le transept sont alors édifiés). A la fin du XIIIè siècle, une crypte fut creusée pour abriter les reliques de saint Saturnin mais aussi d'autres saints (Saint-Sernin abritait la collection de reliques la plus importante après Saint-Pierre de Rome). D'autres aménagements intérieurs furent rajoutés (sculptures des chapiteaux entre la fin du XIIIè et le XVIè siècle), orgue au XVIIè siècle reconstruit au XIXè, retable du XVIIIè siècle présentant le martyre de Saturnin, baldaquin du XVIIIè siècle au-dessus de la chasse du saint). Le début du XIXè siècle vit le dégagement de la basilique par la destruction de tous les bâtiments de l'abbaye disposés autour (seul le bâtiment du musée Saint-Raymond fut conservé) et l'organisation d'une place ovale. Au milieu du XIXè siècle, Viollet-le-Duc réalisa des travaux de restauration qui modifièrent l'aspect de l'église (ils furent "dérestaurés" à la fin du XXè siècle). La basilique Saint-Sernin a été inscrite en 1998 au patrimoine mondial de l'humanité.