При обявяването на християнството за официална религия в България през 864 г. управителят на крепостта Царевец вероятно е построил и църква, предшественик на “Св. Четиридесет мъченици”. Този управител вероятно е имал кръвна връзка с рода на династията на кан Крум, управлявала България от 803 до 971 г., а братята Асен, Петър и Калоян са били негови потомци. Свидетелство, че църквата “Св. Четиридесет мъченици” е построена в ІХ в. от въпросния управител е фактът, че именно тя е фамилната църква и мавзолей на Асеновци в ХІІІ–ХІV в., а не построената от Асен и Петър специално за обявяването на независимостта в 1185 г. църква “Св. Димитър”.
Според видния изследовател на храма арх. Т. Теофилов, ранната църква е носела името “Рождество Богородично”. През вековете, до началото на ХІІІ в., тя е претърпяла много разрушения от природни катаклизми и войни, но е била поправяна и преустройвана. Днешния си вид тя придобива в 1230 г., когато е преустроена и обновена от цар Иван Асен ІІ и осветена с ново име – “Св. Четиридесет мъченици”. Поводът е бил голямата победа на 22 март 1230 г. (денят на мъчениците), която постига българската армия над войските на претендента за византийския трон – епирския деспот Теодор Комнин, край хасковското село Клокотница. Победата прави България хегемон в Югоизточна Европа, а границите ú обхващат почти целия Балкански полуостров, миейки се в три морета – Черно, Бяло и Адриатическо.
За всичко това разказва надпис върху мраморна колона, която цар Иван Асен ІІ заповядал да се постави в църквата. Вероятно пак Иван Асен ІІ е заповядал да се поставят и колоните с надписи от времето на кан Крум (803–831 г.).
Църквата след преустройството, извършено от Иван Асен ІІ в 1230 г. е представлявала триапсидна трикорабна базилика с притвор и гробница-мавзолей от запад. Дълга е 24 и широка 7.30 м. Олтарът ú е бил от мрамор, а стенописите, от които са оцелели само фрагменти, са рисувани вероятно веднага след преустройството в 1230 г. Наблюденията на археолозите показват, че стенописи е имало и в по-ранна епоха – ХІ–ХІІ в.
От началото на ХІІІ в. теренът на църквата и пространството около нея са използвани като гробище на личности от Асеновия род. Това е станало след като в 1207 г. тук е бил погребан българският цар Калоян (1197–1207 г.), починал край стените на Солун.
В 1235 г. в Търново починал завръщащия се от Йерусалим Св. Сава – сръбският национален светец, който в пантеона на сръбските християнски светци заема мястото, което у нас заемат българите Св. Иван Рилски, Св. Климент Охридски и братята Св. св. Кирил и Методий. По поръчка на опечаления цар Иван Асен той е погребан в “Св. Четиридесет мъченици”. Около гробницата на светеца започват да стават чудеса – изцеляват се болни. Чудесата, според уверения на търновчани и сърби, посетили църквата, продължили и след като мощите на светеца били пренесени в сръбски манастир и разпиляни при османското завоевание на Сърбия. Казват, че чудотворно изцеление получават и днес вярващи християни, докоснали се до гроба.