Червената църква е изградена през Ранното средновековие - V–VI век от новата ера. Централната сграда е с форма на четирилистник, разположена върху останките на друга разрушена постройка с почти същия план.Останките са основната част от църквата и включват четириконхалното пространство, заедно с два обходни коридора, разположени около северната и южната конха. Впоследствие са прибавени още помещения: двоен притвор, параклис, долепен към него от южната страна, и баптистерий (кръщелна) от северната. Портик с колони от запад оформя входа на църквата. Подходът към последния е по каменно стълбище, от което има запазени само отделни блокове. Общите размери на църквата са: дължина - 32,45 метра и ширина - 29 метра.
Първият познат източник, в който се споменава църквата, е от Иконом Константин през 1819 година, който я определя като „руина”. Сведения за нея има от Константин Иречек. През 1915 г. Българското археологическо дружество предприема проучване, което е прекъснато от Първата световна война. По това време Теодор Шмид прави заснемане на видимите над земята части.
През 1921 г. се предприемат редовни археологически проучвания от Българския археологически институт, подпомагани от Томас Уитмор. При разкопките е извършено цялостно заснемане на паметника от Сергей Покровски. Цветни копия на стенописите са направени от Олга Вивденко-Белокопитова (в момента във Византийската библиотека, Колеж Дьо Франс, Париж) и М. Георгиев (съхраняват се в архива на АИМ-БАН). Два фрагмента са свалени от стените и прибрани във фонда на Националния археологически музей. Материалите от разкопките са публикувани от Андрей Фролов, като в студията си помества и копия от чертежите на Покровски. Подробно проучване на стенописите прави Андрей Грабар.
Църквата е многократно споменавана и в други исторически изследвания от Богдан Филов, Никола Мавродинов, Кръстю Миятев, Вера Иванова, Сава Бобчев, Маргарита Ваклинова, М.Цапенко, Нели Чанева, Хр. Данов.
Подробно проучване през 1956 г. прави Дора Панайотова, заемайки се със задачата да обобщи сведенията до този момент и да направи реконструкция и датиране, придружени с богат илюстративен материал. Поредица от публикации с подробни проучвания и изследвания на място прави арх. Стефан Бояджиев, които допълват и развиват историческия и архитектурен анализ на църквата. Последните археологически разкопки, резултатите от които са отразени в различни издания, са на Маргарита Ваклинова.
Датирането на Червената църква на база нейната архитектура, стенописна украса, археологическите и исторически данни предполага следните периоди в нейното съществуване:
- изграждане на първоначалната сграда - около средата или края на IV век , който вероятно е разрушен при управлението на Юлиян Отстъпник (361-363 г.);
- преизграждане на мартирия, прибавяне на нартекса и екзонартекса по (двоен притвор, разделен с колони), построяване на параклиса и по-късно баптистерий - края на IV век до края на V век според различни автори, поява на парабеми (две срещуположни помещения) при олтара - свързано с управлението на Юстиниан, т.е. втора половина на VI век, като в края на V до началото на VI век църквата е получила богата стенописна ранновизантийска украса
- в края на VI век, началото на VII век започват нашествията на славяни и авари, през този период църквата е сериозно пострадала, за което свидетелстват и следи от пожари и разрушения;
- възстановяването става вероятно през XI век, прибавен е портикът при входа от запад, не се използват обходните коридори, извършва се преизграждане на част от стените, около паметника възниква некропол, като част от гробовете са над нивото на обходните коридори, по-късно наоколо са изграждани други постройки. От този период сградата има нови стенописи. В този вид храмът е оцелял до началото на XIII век.
При анализа на Червената църква изследователите правят аналогии към други сгради със сходни планови композиции - Стоата на Аталос в Атина, антични мавзолеи, църква “Св. София” в Одрин, мартирий в Русафа. В същото време съпоставка в градежа води до препратки към други две църкви в България - Еленската базилика до Пирдоп и базиликата “Св. София” в София.
