تم تأريخ بنائها باليونانية فوق حجر كان على المدخل الرئيسي بعام 512 و513م. وقد ذكره وادينغتون (Waddington) في كتاباته ولكنه فُقد الآن. كُرست للشهداء القديسين سرجيوس وباخوس وليونتيوس (Sergus, Bachus, Leontuis) وهم من أشهر القديسين في سورية بعد القديس جرجس (George). قام ببنائها الأسقف جوليانوس (Julianus) المشهور باستقامته وشجاعته، طُرد من مركزه في عام إنجازها بأمر من بطريرك أنطاكية. ولكنه عاد واستلم مركزه بعد وفاة الإمبراطور أناستاس الذي كان يُساند بطريرك أنطاكية. ويُروى أن خصومه حاولوا تسميمه ولكنه لم يتأثر لأنه كان قد صلّى على الطعام.

هندسة الكاتدرائية العمرانية ألهمت المهندسين الإسلاميين طراز بناء جوامعهم. كانت كاتدرائية إزرع أقدم مثال لنمط الكنيسة التي بُنيت قبتها فوق مربع. والكاتدرائية من الداخل عبارة عن دائرة محاطة بمربع شكلت الزوايا فيها محاريب، توسّعت نحو الخارج من جهة الشرق لبناء الحنية وأربع غرف، اثنتان في كل طرف، فأصبحت بذلك مستطيلة الشكل، أبعادها 37.31×49.54م. قطر القبة حوالي 36م وفيها 50 نافذة. أُقيمت القبة على إطار دائري بُني فوق ثمانية أعمدة سيئة التنفيذ، مما أدى إلى تداعيها عدة مرات وإعادة بنائها. وكان فيها العديد من الأبواب والنوافذ والمحاريب لوضع التماثيل. جدرانها كانت مطلية ومرسومة وربما كانت مغطاة بالمرمر. أما الجدران الخارجية فبسيطة بدون زينة. فيها ثلاث حنيات أوسطها أوسعها وأعلاها. لم يبقَ من زينتها الداخلية سوى بعض الرسوم للعذراء والملائكة القديسين. وكانت الجدران مكسوة بالرخام، ولم يبق منه إلا كسر قليلة. تهدمت واجهة الكاتدرائية ولم يبقَ إلا قسم من الزاوية الشمالية الغربية للحائط الخارجي مع محرابه وزخارف إفريزه.

أمر الإمبراطور جوستينيان فيما بعد بأن تُبنى كاتدرائية القديسة صوفيا (Sophia) في القسطنطينية (Conostantinople) وكذلك في الرصافة على نمط كاتدرائية بصرى. وتجنب المهندسون أخطاء الكاتدرائية في بصرى عند بناء الكنيستين وما زالتا قائمتين حتى الآن.

كتب الكونت دي فوغ (Conte de Vogue) في كتابه سورية المركزية (La Syrice Centrale) عن بناء الكاتدرائية وأشار إلى وجود بقايا تمثال للسيدة العذراء في المذبح وهي باسطة ذراعيها.