Η παλαιοχριστιανική βασιλική του Αγίου Ισιδώρου κτίστηκε στα μέσα του 5ου αιώνα μ.Χ., επί προγενεστέρου ρωμαϊκού κτίσματος. Έχουν διαπιστωθεί πέντε επάλληλες οικοδομικές φάσεις: στην α' φάση ο ναός κατασκευάσθηκε ως τρίκλιτη Βασιλική με πεταλόσχημη κόγχη, στην β' φάση ήταν επίσης τρίκλιτη Βασιλική με ημικυκλική κόγχη, ενώ στην γ' φάση που χρονολογείται στα μέσα του 6ου αιώνα η Βασιλική διευρύνθηκε και απέκτησε μεγάλες διαστάσεις. Στην δ' φάση ο ναός έγινε σταυροειδής εγγεγραμμένος με τρούλο, ο οποίος καταστράφηκε από σεισμό το 1389. Στην τελευταία φάση προστέθηκε στο μέσον του βόρειου τοίχου μιναρές. Τέλος, ο καταστρεπτικός σεισμός του 1881 μετέβαλε το ναό σε ερείπια.

Τμήμα των λειψάνων της παλαιοχριστιανικής Βασιλικής καλύπτεται σήμερα από μεταγενέστερο, σχετικά μικρό ναό, ο οποίος φέρει χαμηλή οριζόντια τσιμεντένια οροφή. Διασώζονται ψηφιδωτά δάπεδα τριών οικοδομικών φάσεων (από τα μέσα του 5ου αιώνα έως τα μέσα του 6ου αιώνα) με γεωμετρικά μοτίβα, καθώς και πολλά γλυπτά αρχιτεκτονικά μέλη. Στο εσωτερικό του ναού υπάρχει υπόγεια θολωτή κρύπτη όπου άλλοτε φυλάσσονταν τα λείψανα του Αγ. Ισιδώρου και της Αγ. Μυρόπης, που μαρτύρησαν στην Χίο κατά την πρώτη χριστιανική περίοδο.

Η πρώτη ανασκαφική έρευνα στο χώρο ξεκίνησε από τον Γ.Σωτηρίου το 1918 και συνεχίστηκε από τον Α. Ορλάνδο το 1928. Το καλοκαίρι του 1981 και 1982 πραγματοποιήθηκε νέα ανασκαφική έρευνα από την 3η Εφορεία Βυζαντινών Αρχαιοτήτων.