Abajo del presbiterio y el coro, excavado en la roca, se abre el Santuario de los Mártires. Deseado por el arzobispo De Esquivel e inaugurado en el año 1618, está compuesto por un vestíbulo y tres capillas. Su nombre lo debe a 179 nichos con las reliquias de mártires de la ciudad de Cagliari. Está dotado de escalera de acceso y de tres capillas intercomunicantes revestidas de mármol. Las bóvedas están decoradas de rosetones con puntas de diamante en relieve.
Vestíbulo del Santuario
Las dos escaleras de mármol se reúnen en un descanso, con al centro el sarcófago marmóreo del arzobispo Francisco De Esquivel y una pintura de escuela española - siglo XV11 - que representa la Crucifixión, el mismo arzobispo y los mártires de Cagliari.
Capilla de San Lucífero
Dedicada a San Lucífero, obispo de Cagliari, acoge 80,nichos. Las reliquias del santo se encuentran debajo de la mesa del altar; arriba se erige la estatua. En la capilla un sarcófago de época romana con los restos de San Antíoco y el mausoleo de María Josefina de Savoya, esposa de Luis XVIII rey de Francia.
Capilla de San Saturnino
En la capilla, más pequeña de las otras dos, 33 nichos. Sobre el altar, un sarcófago romano del siglo II conserva las reliquias del Santo. Arriba de la estatua de San Saturnino, se encuentran otros dos sarcófagos de la época romana: uno con las reliquias de 10. santos, el otro detrás del monumento a Carlos Manuel de Savoya - preserva las reliquias de 9 santos. En el fondo, el mausoleo de Carlos Manuel, que murió de viruela a solo dos años.
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