Nach der Zerstörung der Stadt im 3. Jh. entwickelte sich Doliche im 4. Jh. n. Chr. erneut zu einem bedeutenden städtischen Zentrum. Die Untersuchung dieser Phase der Stadtgeschichte ist ein Schwerpunkt des Doliche Projektes. Im Zentrum steht dabei die Erforschung der Hangkirche von Doliche, einer frühchristlichen Basilika, die im späten 4. Jh. n. Chr. am Südhang Keber Tepe errichtet wurde. Anhand der Kirche lässt sich die Entwicklung christlicher Sakralarchitektur in der Spätantike nachvollziehen. Beeindruckende Mosaikböden, zahlreiche Umbauten und Reste der Ausstattung machen sie zu einem wertvollen Zeugnis des kulturellen Erbes Nordsyriens.
Die Kirche ist als dreischiffige Basilika konzipiert und misst etwa 45 Meter in der Länge. Besonders beeindruckend sind die Mosaikböden, die in verschiedenen Phasen zwischen dem 4. und 6. Jahrhundert n. Chr. verlegt wurden und den Wandel der Mosaikkunst in dieser Zeit eindrucksvoll dokumentieren. Die Mosaiken des Mittelschiffs zeigen komplexe geometrische Muster, die im sogenannten „Regenbogenstil“ gestaltet sind. Auch die Seitenschiffe und der Portikus der Kirche waren mit Mosaiken geschmückt, wobei insbesondere die geometrischen Mosaike des nördlichen Seitenschiffs noch gut erhalten ist.
Die Apsis ist im Zuge von Umbauten mehrfach erhöht worden und im 6. Jh. n. Chr. mit einem Mosaik ausgelegt worden, das im Zentrum eine Flusslandschaft zeigt, die den Nil symbolisiert.
Eine Besonderheit der Hangkirche ist das Bema, eine erhöhte Plattform im Mittelschiff, die mit umlaufenden Sitzreihen ausgestattet war und in vielen Kirchen Nordsyriens zu finden ist. Es diente als Sitzbereich für den Klerus während des Gottesdienstes. Das Bema wurde erst nachträglich eingebaut und in einer zweiten Phase nochmals vergrößert. Auch sein Boden ist mit aufwendig gestalteten Mosaiken geschmückt.
Im Osten der Kirche grenzt ein Gebäudekomplex an, der möglicherweise Teil eines Bischofspalastes war. Dieser Komplex ist direkt mit dem südlichen Nebenraum der Apsis verbunden und umschließt mehrere repräsentative Räume, die um einen Innenhof gruppiert sind.
Funde aus einer Zisterne im nördlichen Seitenschiff und aus den Zerstörungsschichten deuten darauf hin, dass die Kirche im 7. Jahrhundert n. Chr. aufgegeben wurde und seitdem nicht wieder aufgebaut wurde. Die endgültige Zerstörung der Hangkirche erfolgte durch ein Erdbeben.
