W ostatniej tercji V wieku relikwie Sergiusza znajdowały się już w monumentalnym kompleksie bazylikowym, do którego przybywali pielgrzymi z różnych części Cesarstwa Rzymskiego i Bliskiego Wschodu.
Miasto zostało przemianowane na Sergiopolis i stało się jednym z ważniejszych ośrodków pielgrzymkowych późnoantycznej Syrii. Zachowane inskrypcje greckie i syryjskie, graffiti pielgrzymów oraz pozostałości bazylik potwierdzają szeroki zasięg kultu Sergiusza. Wzywano go przede wszystkim jako opiekuna żołnierzy, podróżnych, mieszkańców pogranicza oraz osób poszukujących ochrony przed niebezpieczeństwem.
Kult obu świętych rozpowszechnił się w Syrii, Mezopotamii, Azji Mniejszej, Egipcie, Konstantynopolu, na Bałkanach i w zachodniej części Cesarstwa Rzymskiego. Świątynie pod ich wspólnym wezwaniem powstały m.in. w Konstantynopolu, Rzymie i Kairze. Jeden z najbardziej znanych kościołów, kościół świętych Sergiusza i Bakchusa w Konstantynopolu, został wzniesiony w VI wieku za panowania Justyniana I.
Anonim z Piacenzy, pielgrzymujący po Ziemi Świętej i Syrii w VI wieku, odnotował istnienie sanktuarium Sergiusza.