Este artículo comunica el hallazgo de un posible edificio de culto tardoantiguo durante los trabajos de prospección con métodos no invasivos del yacimiento de Santa Olalla (Olmillos de Sasamón, Burgos) en los años 2021-2023. Documentado a partir de la fotografía aérea en el espectro visible y la prospección geofísica mediante georradar, el edificio presenta una planta rectangular rematada en un ábside y dos estancias anexas cuya funcionalidad precisa aún debe clarificarse. El descubrimiento no se produjo de forma aislada, sino que se integra en el estudio del gran complejo arqueológico tardorromano de Santa Olalla. Su estudio contribuye a la discusión sobre el final de las grandes villas en el valle del Duero, la (re)ocupación de espacios de época romana durante el periodo visigodo y la organización política y territorial de este territorio entre la Antigüedad Tardía y la Alta Edad Media.