Considerata il prototipo dell'architettura romanica lucchese, fu ricostruita alla metà dell'XI secolo. Di impianto basilicale a tre navate, è caratterizzata da estremo rigore costruttivo, evidente soprattutto nel disegno della facciata, calibrata nelle proporzioni, nel raffinato paramento a filoni alternativi alti e bassi di calcare bianco, nelle decorazioni di impronta classica del portale di facciata e di quello laterale. In facciata, sul cornicione che segna la sopraelevazione della navata centrale, le basi di quattro colonnini suggeriscono l'ipotesi di un originario loggiato. Dalla decorazione dell'abside, i cui caratteri denotano un più vivace senso decorativo e tracce di cromia, sembra che i lavori si siano conclusi nella prima metà del XII secolo.
La chiesa di Sant'Alessandro a Lucca, ricordata per la prima volta in un documento dell'anno 893, è un edificio di tipo basilicale, le cui caratteristiche sono simili a quelle della locale architetture romanica, improntata ad un sobrio classicismo. Nella costruzione attuale, tuttavia, sono inglobate le strutture di una chiesa più antica (riconoscibile nella metà inferiore della facciata, nel primo tratto dei fianchi e, all'interno, nelle arcate fino alla prima coppia di pilastri), la cui epoca di costruzione è ancora controversa e la cui qualità appare sorprendentemente vicina a quella della stessa architettura romana: - l'edificio è interamente rivestito da lastre di calcare bianco perfettamente levigate e disposte in fasce alternativamente alte e basse, secondo un ordine che evoca l'opus quadratum pseudoisodomum dei monumenti dell'Antichità (come nel tempio rotondo del Foro boario a Roma, del II sec. a.C.); all'interno di questa disposizione rigorosamente geometrica sono inserite anche le aperture ed i particolari scolpiti che le incorniciano, anch'essi tutti di diretta derivazione romana; la stessa compenetrazione di ordine statico e geometrico si osserva nelle arcate interne, le cui pietre, bianche e colorate, sono sempre disposte in modo simmetrico (come si riscontra in edifici del VI-VII secolo d.C., quali il Mausoleo di Teodorico a Ravenna o la Cupola della Roccia a Gerusalemme). La disposizione simmetrica delle pietre della facciata attorno al portale è paragonabile invece a quella della chiesa visigota, peraltro molto restaurata, di Sao Frutuoso de Montelios nei pressi di Braga, attribuita al sec VII d.C.. - analogamente a quanto si verifica nella basiliche di Roma (soprattutto in quelle costruite all'epoca della Riforma Gregoriana, tra XI e XIII secolo), l'interno della chiesa è suddiviso in aree funzionali ed è attraversato da un percorso di natura liturgica, segnalato con coerenza (perfino nei più minuti dettagli, variando nei capitelli il tipo di acanto o i fiori dell'abaco) dal colore dei marmi delle colonne e dai diversi tipi di capitelli che si corrispondono in coppia attraverso la navata; all'ambiente romano rimanda anche l'estetica della varietas, che (in un contesto sempre saldamente simmetrico) informa tutta la decorazione scolpita, le cui studiate variazioni hanno dei paralleli nella Basilica di San Salvatore a Spoleto e nei capitelli del Tempio di Saturno a Roma, ricostruito nel IV sec. d.C.. - singolare è, infine, la qualità delle sculture, in cui non si riconosce nessuna influenza orientale (bizantina o islamica), né lombarda o "barbarica" (mancando anche gli intrecci tipici della scultura altomedievale), ma dove ogni particolare è invece riconducibile ad un preciso modello di epoca romana: da un lato gli elementi vegetali, geometrizzati, appiattiti e definiti nei dettagli da sottili incisioni, si dispongono sul piano secondo un ordine prevalentemente paratattico/simmetrico (caratteristiche, queste, proprie della scultura antica più tarda), dall'altro i modelli costantemente imitati - tra cui inusuali varianti corinzieggianti e rari motivi di età augustea - sono invece tipici del I-II sec. d.C..
Mentre le sculture più recenti del monumento (capitelli del presbiterio e archetti pensili all'esterno dell'abside) hanno un riscontro nell'architettura del sec. XII, in particolare nell'opera di Biduino e della sua scuola, le singolari caratteristiche classicistiche della fase costruttiva più antica del Sant'Alessandro sono invece tali da farne un caso isolato nel panorama medievale locale, cosicché la sua costruzione è spiegabile solo in due modi: la chiesa è opera di maestranze provenienti dall'esterno (la loro esatta origine resta tuttavia da individuare), oppure essa è prova - in pieno Medioevo - della sopravvivenza nella stessa città di Lucca della tradizione architettonica romana (analogamente a quanto è avvenuto, sia pure con altro accento, a Firenze, con il "Romanico Fiorentino"). Poiché la possibilità che questa tradizione - riservata comunque ad edifici di particolare prestigio - si sia conservata con questo grado di purezza nel corso dei secoli diventa tanto più improbabile quanto più ci si allontana dalla Tarda Antichità, non si può escludere che la data di costruzione della fase più antica possa essere anteriore all'età romanica (sec. IX?), come sembrano confermare i pochi documenti scritti che riguardano la chiesa e le vicende del culto di Sant'Alessandro. Allo stato attuale degli studi, e in assenza di scavi, resta tuttavia più probabile l'attribuzione tradizionale ai secoli XI-XII. Infatti, per quanto la qualità tecnica e formale del primo Sant'Alessandro sia a Lucca ineguagliata, alcune caratteristiche delle sue arcate si ritrovano in quelle della Basilica di San Frediano (sec. XII) e le rare tipologie dei suoi capitelli si ripetono nella chiesa di San Michele in Foro (sec. XII), con un'insistenza difficile da giustificare se la distanza di tempo tra le due serie fosse davvero di due secoli. D'altro canto, benché nella pianta complessiva dell'edificio primitivo si riconosca un tracciato regolatore ad triangulum, tutti gli spazi interni sono regolati ad quadratum (con l'interasse delle colonne come modulo e un rapporto tra le navate di 2:1), al contrario di quanto si verifica di norma nelle basiliche dell'Alto Medioevo, dove la larga e depressa navata centrale è separata dalle laterali da fitte colonne, il cui interasse non ha alcuna relazione con le dimensioni degli spazi.